7. 探究模型参数与显存的关系以及不同精度造成的影响

这篇文章将探讨两个重点：

• 模型参数与显存（GPU 内存）之间的关系
• 不同精度的导入方式，以及它们对显存和性能的影响

理解这些概念会让你在模型的选择上更加游刃有余。

模型参数与显存的关系

模型参数量与内存占用

神经网络模型由多个层组成，每一层都包含权重（weight）和偏置（bias），这些统称为模型参数。而模型的参数量一般直接影响它的学习和表示能力。

模型大小计算公式：
$$\text{模型大小（字节）}=\text{参数数量}\times \text{每个参数的字节数}$$

示例：

对于一个拥有 10 亿（1,000,000,000） 参数的模型，使用 32 位浮点数（float32） 表示，每个参数占用 4 字节，即：
$$\text{模型大小}=1,000,000,000\times 4\text{字节}=4\text{GB}$$

具体来讲，以meta-llama/Meta-Llama-3.1-70B-Instruct 这个拥有 700 亿（70B） 参数的大模型为例，我们仅考虑模型参数，它的显存需求就已经超过了大多数消费级 GPU（如 RTX 4090 最高 48G）：
$$70\times 10^9\times 4\text{字节}=280\text{GB}$$

GPU 显存需求

而在实际部署模型时，GPU 不仅需要容纳模型参数，还需要处理其他数据，这意味着更大的显存占用量。其中包括：

• 模型参数：模型的权重和偏置。
• 优化器状态（仅训练时）：如动量（momentum）和梯度平方和等信息。
• 中间激活值：前向传播和反向传播过程中产生的中间结果。
• 批量大小（Batch Size）：一次处理的数据样本数量。

推理与训练的区别：

• 推理阶段：仅需加载模型参数和少量的中间激活值。
• 训练阶段：需要额外存储梯度和优化器状态，因此显存需求更大。

不同精度的导入方式及其影响

为了降低显存占用，我们可以使用不同的数值精度格式来存储模型参数，这些精度格式在内存使用和计算性能上各有优劣。

常见的数值精度格式

• FP32（32 位浮点数）：标准精度，每个参数占用 4 字节。
• FP16（16 位浮点数）：半精度浮点数，每个参数占用 2 字节。
• BF16（16 位脑浮点数）：与 FP16 类似，但具有更大的指数范围，适用于深度学习。
• INT8（8 位整数）：低精度整数，每个参数占用 1 字节。
• 量化格式：4 位 或更低，用于特殊的量化算法，进一步减少内存占用。

对显存占用的影响

使用更低的精度可以显著减少模型的内存占用：

• FP16 相对于 FP32：内存占用减半。
• INT8 相对于 FP32：内存占用减少到原来的四分之一。

示例：

对于一个 70B 参数的模型：

• FP32 精度：280 GB 显存。
• FP16/BF16 精度：140 GB 显存。
• INT8 精度：70 GB 显存。

注意：实际显存占用还受到其他因素影响，如 CUDA 上下文、中间激活值和显存碎片等，因此不会严格按照理论值减半或减少四分之一。对于较小的模型，差距可能不会那么显著。

精度的权衡与选择

准确性 vs. 性能

• 高精度（FP32）：

  • 优点：更高的数值稳定性和模型准确性。
  • 缺点：占用更多显存，计算速度较慢。

• 低精度（FP16/INT8）：

  • 优点：占用更少的显存，计算速度更快。
  • 缺点：可能引入数值误差，影响模型性能。

何时选择何种精度

• FP32：

  • 适用于训练小型模型或对数值精度要求较高的任务。

• FP16/BF16：

  • 适用于训练大型模型，利用混合精度（Mixed Precision）来节省显存并加速计算。

• INT8：

  • 主要用于推理阶段，尤其是在显存资源有限的情况下部署超大模型。

硬件兼容性

• FP16 支持：

  • 大多数现代 NVIDIA GPU（如 RTX 20 系列及以上）支持 FP16。

• BF16 支持：

  • 需要 NVIDIA A100、H100 等数据中心级别的 GPU，或最新的 RTX 40 系列 GPU。

• INT8 支持：

  • 需要特殊的库（如 bitsandbytes）和硬件支持。

实际应用中的精度技巧

使用 FP16 精度

在训练中启用混合精度

PyTorch 提供了 torch.cuda.amp 模块，可以方便地实现混合精度训练，加速计算并降低显存占用。

import torch
from torch import nn, optim
from torch.cuda.amp import GradScaler, autocast

# MPS (Metal Performance Shaders) for Apple Silicon GPUs
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cpu"

model = nn.Sequential(...)  # 定义模型
model.to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
scaler = GradScaler()

for data, labels in dataloader:
    data = data.to(device)
    labels = labels.to(device)
    optimizer.zero_grad()
    with autocast():
        outputs = model(data)
        loss = criterion(outputs, labels)
    scaler.scale(loss).backward()
    scaler.step(optimizer)
    scaler.update()

在推理中使用 FP16

model.half()  # 将模型转换为 FP16
model.to(device)  # 将模型移动到合适的设备
inputs = inputs.half().to('cuda')
outputs = model(inputs)

使用 BF16 精度

BF16（Brain Floating Point）具有与 FP32 相同的指数位数，减小了溢出和下溢的风险。

model = model.to(torch.bfloat16).to(device)
inputs = inputs.to(torch.bfloat16).to(device)
outputs = model(inputs)

注意：并非所有 GPU 都支持 BF16，你需要检查硬件兼容性。

使用 INT8 量化

安装 bitsandbytes

pip install bitsandbytes

使用 bitsandbytes 库实现 INT8 量化

from transformers import AutoModelForCausalLM
import bitsandbytes as bnb

model_name = 'gpt2-large'

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_name,
    load_in_8bit=True,
    device_map='auto'
)

消除警告

在加载模型时，可能会遇到以下警告：

The load_in_4bit and load_in_8bit arguments are deprecated and will be removed in the future versions. Please, pass a BitsAndBytesConfig object in quantization_config argument instead.

解决方法：

使用 BitsAndBytesConfig 对象来配置量化参数。

from transformers import AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig

bnb_config = BitsAndBytesConfig(load_in_8bit=True)

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_name,
    quantization_config=bnb_config,
    device_map='auto'
)

实践示例

对比不同精度下的显存占用

加载模型并查看显存占用

以下代码示例展示了在不同精度下加载 gpt2-large 模型时的显存占用情况，并进行简单的推理测试。gpt2-large 大约有 812M（8.12 亿）= 0.812B 个参数。

import os
import gc
import torch
from transformers import AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig
import bitsandbytes as bnb

def load_model_and_measure_memory(precision, model_name, device):
    if precision == 'fp32':
        model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_name).to(device)
    elif precision == 'fp16':
        model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
            model_name,
            torch_dtype=torch.float16,
            low_cpu_mem_usage=True
        ).to(device)
    elif precision == 'int8':
        bnb_config = BitsAndBytesConfig(load_in_8bit=True)
        model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
            model_name,
            quantization_config=bnb_config,
            device_map='auto'
        )
    else:
        raise ValueError("Unsupported precision")
    
    # 确保所有 CUDA 操作完成
    torch.cuda.synchronize()
    
    mem_allocated = torch.cuda.memory_allocated(device) / 1e9
    print(f"Precision: {precision}, Memory Allocated after loading model: {mem_allocated:.2f} GB")
    
    # 删除模型并清理缓存
    del model
    gc.collect()
    torch.cuda.empty_cache()

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model_name = 'gpt2-large'

for precision in ['fp32', 'fp16', 'int8']:
    print(f"\n--- Loading model with precision: {precision} ---")
    load_model_and_measure_memory(precision, model_name, device)

示例输出：

--- Loading model with precision: fp32 ---
Precision: fp32, Memory Allocated after loading model: 3.21 GB

--- Loading model with precision: fp16 ---
Precision: fp16, Memory Allocated after loading model: 1.60 GB

--- Loading model with precision: int8 ---
Precision: int8, Memory Allocated after loading model: 0.89 GB

额外说明：

• torch.cuda.memory_allocated 仅测量由 PyTorch 当前进程分配的显存，不包括其他进程或系统预留的显存。

常见问题及解决方案

问题一：RuntimeError: Failed to import transformers.models.gpt2.modeling_gpt2 because of the following error

RuntimeError: Failed to import transformers.models.gpt2.modeling_gpt2 because of the following error (look up to see its traceback):
module ‘wandb.proto.wandb_internal_pb2’ has no attribute ‘Result’

解决方法：

• 卸载并重新安装 wandb：

  pip uninstall wandb
  pip install wandb
  

• 如果问题仍然存在，禁用 wandb：

  import os
  os.environ["WANDB_DISABLED"] = "true"
  
  

问题二：TypeError: dispatch_model() got an unexpected keyword argument 'offload_index'

解决方法：

• 检查 transformers 和 accelerate 库的版本：

  import transformers
  import accelerate
  
  print(f"Transformers version: {transformers.__version__}")
  print(f"Accelerate version: {accelerate.__version__}")
  

• 更新库：

  pip install --upgrade transformers accelerate
  

总结

现在你应该理解了模型参数与显存的关系，以及不同数值精度对显存和性能的影响，这不仅在实际应用中具有重要意义，也是面试中的常见考点，而且对于后续的学习同样很重要。毕竟看得懂代码在说什么，比当作黑箱要好得多。

最后的思考：

精度的降低意味着性能的妥协，在我过去的一些小型试验中，低精度下训练的性能还是一般都不如高精度。但，跑不跑的好是一回事，能不能跑又是另一回事，如果低显存能跑大模型，性能上的妥协也是完全可以接受的。

参考文献

• PyTorch Mixed Precision Training
• Transformers Documentation
• bitsandbytes - Github