LLM推理部署（七）：FireAttention——通过无损量化比vLLM快4倍

? ? ? ?Mixtral作为第一个在数万亿tokens上训练的OSS模型，最近在人工智能社区掀起了波澜，它支持“混合专家”（MoE），并且训练和推理速度非常快。

? ? ? ?Fireworks AI是第一个托管Mixtral的平台，在Mixtral公开发布之前就托管了。

? ? ? ?虽然最初的炒作已经平息，但有这样一个问题需要回答：

我们能为MoE模型开发出一种更高效的服务，而对质量的影响可以忽略不计吗？

? ? ? ?为了回答这个问题，作者提出了Fireworks LLM服务，其中基于FP16和FP8的FireAttention是核心部分。与其他OSS替代品相比，它具有4倍的加速。下面将介绍基于Mixtral模型的质量和性能研究。

Mixtral在8个H100 GPU上以不同的请求延迟截止值每秒实现的请求数（越高越好）（有关详细信息，请参阅下面的性能分析）

一、实验设置

? ? ? ?由于LLM性能领域不存在“一刀切”的问题，因此在本文中，我们希望关注最典型的用例之一：提示长度=1K，生成的tokens数量=50。此设置涵盖了长提示、短生成的用例。作者认为，短提示和/或长生成需要完全不同的优化策略。

? ? ? 在衡量模型质量时，将重点关注语言理解。使用MMLU度量，它有足够的测试数据集示例（超过14K），Mixtral模型在该度量上表现相当好（70.6%的准确率），但不太好。

? ? ? ?生产环境通常具有“给定延迟预算的最佳吞吐量”要求。因此，作者将使用两个度量进行评估：一个是在给定数量的请求/秒（RPS）的前提下，评估tokens的生成延迟；第二个是给定RPS，评估总请求延迟。不同的服务设置可以将延迟从预填充转换为生成，反之亦然。通过测量这两个指标，我们可以清楚地看到整体情况。

二、FireAttention

? ? ? ?FireAttention是一个自定义的CUDA内核，针对多查询注意力模型进行了优化（Mixtral就是其中之一）。它还专门针对新硬件中的FP16和FP8支持进行了优化，尤其是H100。对于各种批处理大小和序列长度，它在生成过程中运行时接近硬件内存带宽限制。

? ? ? ?FireAttention集成到Fireworks专有的LLM服务堆栈中，该堆栈由CUDA内核组成，针对FP16和FP8进行了优化。

三、质量分析

? ? ? 以半精度运行模型会留下很多性能，因为与half/bfloat16类型相比，现代GPU的INT8/FP8类型有2倍FLOPs。此外，由于内存带宽是生成过程中的瓶颈，我们应该尝试收缩weights和K/V Cache。

? ? ?用于LLM的int量化方法有很多，根据Huggingface的推荐（https://huggingface.co/blog/mixtral），作者已经尝试了一些，而且还评估了FireAttention?FP8的性能。FireAttention?FP8为每个token分配3个专家（而不是默认的2个）。具体的推理细节，请参考：https://twitter.com/FireworksAI_HQ/status/1737232544687665500。

? ? ? ?作者使用标准的5-shot模板在基本Mixtral模型测量了MMLU度量。

GPTQ模型是从GPTQ 8位和GPTQ 4位检查点获得的。

LLM.int8（）是通过传递load_in_8bit=True，dtype=float16从原始模型中获得的。

QLoRA 4 bit版本是通过将load_in_4bit=True、bnb_4bit_compute_dtype=float16传递给模型构造函数而获得的。

? ? ? 虽然LLM.int8（）（以及在某种程度上QLoRA）与原始模型的质量相匹配，但上面提到的int量化方法都没有任何推理加速，尤其是在batch大小大于1的情况下运行时。具体分析，可以参考：https://huggingface.co/Qwen/Qwen-72B-Chat-Int8#%E6%8E%A8%E7%90%86%E9%80%9F%E5%BA%A6%E5%8F%8A%E6%98%BE%E5%AD%98%E4%BD%BF%E7%94%A8-inference-speed--gpu-memory-usage。

? ? ? ?其他方法，如SmoothQuant和AWQ，试图提高模型的性能，但仍然达不到要求，尤其是在生成过程中。int量化的基本问题仍然存在。问题是LLM激活不具有均匀分布，因此对int方法提出了挑战。

? ? ? ?另一方面，FP8提供了一个非常有前景的机会，因为它更灵活地适应利用硬件支持的非均匀分布。

? ? ? 浮点量化在LLM中的优越性在许多论文中都有介绍。下面是一些引文：

ZeroQuant FP（Wu，X.等人2023）值得注意的是，FP8的激活超过了INT8，尤其是在更大的模型中。此外，FP8和FP4的权重量化要么与它们的INT等价物竞争，要么超过它们。

Which GPU(s) to Get for Deep Learning（Dettmers T.2023）我们可以一点一点地看到，FP4数据类型比Int4数据类型保留了更多的信息，从而提高了4个任务的平均LLM零射击精度。

FP8 Quantization: The Power of the Exponent?（Kuzmin A，et al.2022）主要结论是，当对大量网络进行后训练量化时，FP8格式在准确性方面优于INT8，并且指数位数的选择是由网络中异常值的严重程度驱动的。

? ? ? ?尽管如此，在OSS LLM服务实现中，对FP8的实际支持仍然相当匮乏。

? ? ? ? 作者还运行了比较FP16和FP8的其他主要基准测试。以下是完整的列表：

? ? ? ?由于示例数量较少，arc-c/winogrande/gsm8k基准测试结果的差异仅在~1%时有意义。

? ? ? ?基于这些结果，可以得出结论，Fireworks FP8的实现对基础模型质量的影响非常小，在具体的微调版本中可以忽略不计。

四、性能分析

? ? ? ?作者无法在OSS中的Mixtral中实现FP8（TensorRT LLM在选定的少数模型上支持Mixtral和单独的FP8，但FP8目前不能与Mixtral一起工作）。相反，将把Fireworks?FP16与Fireworks?FP8进行比较，并将与一个非常著名的用于FP16数字的OSS替代vLLM进行交叉检查。

? ? ? ?作者还在GPTQ Int8模式下运行vLLM。不幸的是，目前vLLM Int8量化无法在多gpu模式下工作，所以作者只使用了一个gpu。虽然在多gpu模式下运行时延迟应该会有所改善，但我们不希望它能超过vLLM FP16的数字。

? ? ? ?作者还在AWQ Int4模式下运行vLLM。不幸的是，即使是单个并发请求的总请求延迟也超过了3秒的截止时间。

? ? ? ?作者已经在8个H100 GPU上部署了Mixtral模型，并测量了tokens生成延迟以及总请求延迟，同时改变了并发请求的数量。

? ? ? 作者已经在许多配置中部署了vLLM：2、4和8个GPU（超过张量并行），将得到的QPS分别乘以4、2和1，这些图形显示了给定QPS的最佳延迟值。

? ? ? ?作者已经使用许多不同的配置部署了Fireworks LLM服务，与vLLM类似，只显示了获胜配置的数字。

五、结论

1. Fireworks FP16 在Mixtral模型的性能优于vLLM；

2. 与已经相当高效的Fireworks FP16相比，Fireworks FP8性能显著提升；

3. 由于FP8将模型尺寸缩小了2倍，因此可以实现更高效的部署。与内存带宽和FLOP相结合，可以加快速度，使有效请求每秒提高2倍；

4. LLM性能不存在“一刀切”的问题。vLLM和Fireworks LLM服务的不同配置在不同的设置中显示了它们的优势。

? ? ? ?总体而言，Fireworks FireAttention FP8为LLM在精度/性能权衡曲线上的服务提供了最佳权衡。

PS：如果想获得SOTA LLM性能，包括基于FP8的FireAttention或者通过API端点访问，请查看Fireworks GenAI平台，链接：https://fireworks.ai/。

参考文献：

[1]?https://blog.fireworks.ai/fireattention-serving-open-source-models-4x-faster-than-vllm-by-quantizing-with-no-tradeoffs-a29a85ad28d0?gi=582bc74161a0&source=email-c63e4493b83d-1705085890948-digest.reader--a29a85ad28d0----8-98------------------2f6dc0a1_9ebb_4f10_ae02_b137b7296add-1

[2]?https://fireworks.ai/