DeepSpeed 提供了一个强大的模型压缩库(DeepSpeed Compression),旨在通过多种压缩技术降低深度学习模型的内存占用、推理延迟和计算需求,同时尽量保持模型性能。该库特别适合大规模 Transformer 模型(如 LLaMA、BERT、GPT),支持分布式训练和推理环境。DeepSpeed 的压缩技术包括 层减少权重量化激活量化剪枝(稀疏剪枝、行剪枝、头剪枝、通道剪枝)以及专用框架如 ZeroQuantXTC


1. DeepSpeed 模型压缩库概述

1.1 功能

DeepSpeed Compression Library 旨在通过以下方式优化模型:

  • 模型体积压缩:减少模型参数存储需求(如 32x 体积压缩,精度损失极小)。
  • 推理加速:降低推理延迟(如 2x 延迟减少),提高吞吐量。
  • 压缩成本降低:如 ZeroQuant 技术将压缩成本降低 5000x。
  • 端到端优化:通过高效推理引擎(如 DeepSpeed-Inference)提升压缩模型的计算效率。
  • 可组合性:支持多种压缩方法的协同应用(如层减少和量化),通过统一的 API 简化操作。
  • 易用性:提供模块化设计,开发者可轻松添加自定义压缩方法。

1.2 适用场景

  • 大模型部署:如 LLaMA-7B、Mixtral-8x7B,在边缘设备或资源受限环境部署。
  • 实时推理:如对话系统、文本生成,需要低延迟和高吞吐量。
  • 成本敏感场景:如云服务,需降低存储和计算成本。
  • 研究与开发:探索新型压缩技术或优化现有模型。

1.3 支持的压缩方法

DeepSpeed Compression 目前支持以下七种压缩方法:

  1. 层减少(Layer Reduction):通过知识蒸馏减少隐藏层数量,保持网络宽度。
  2. 权重量化(Weight Quantization):将权重从 FP16/FP32 量化为 INT8/INT4,甚至二进制/三进制。
  3. 激活量化(Activation Quantization):将激活值量化为 INT8,减少内存和计算开销。
  4. 稀疏剪枝(Sparse Pruning):移除不重要的权重,生成稀疏矩阵。
  5. 行剪枝(Row Pruning):删除权重矩阵的整行。
  6. 头剪枝(Head Pruning):移除 Transformer 模型中不重要的注意力头。
  7. 通道剪枝(Channel Pruning):减少卷积层或线性层的通道数。

1.4 关键技术

  • ZeroQuant:零成本量化技术,支持 INT4/INT8 混合精度量化,显著降低压缩时间(如 GPT-3-1.3B 在单 GPU 上 3 小时完成量化,成本降低 5000x)。
  • XTC(Extreme Compression):结合层减少、二值化和知识蒸馏,实现 32x 模型体积压缩,精度损失最小。

1.5 压缩组合器

通过简单 API 自动组合多种压缩方法,简化开发流程。

from deepspeed.compression import init_compression, redundancy_clean

# 初始化压缩
model = init_compression(model, ds_config)

# 训练后清理压缩
model = redundancy_clean(model)

2. 通用教程

DeepSpeed 压缩库通过 compression composer 提供统一 API,简化压缩方法组合。需安装 DeepSpeed(版本 >= 0.7.0):

pip install deepspeed>=0.7.0

2.1 层减少(Layer Reduction)

说明:层减少通过知识蒸馏减少 Transformer 模型层数(如将 BERT-base 从 12 层减少到 5 层),降低计算复杂度和模型大小,尽量保留性能。

JSON 配置deepspeed_config.json):

{
  "compression_training": {
    "layer_reduction": {
      "enabled": true,              // 是否启用层减少,布尔值,true 表示启用
      "keep_number_of_layers": 5,   // 目标保留的层数,整数,需小于原始层数(如 BERT-base 为 12)
      "teacher_layer_mapping": [0, 2, 4, 7, 11]  // 教师模型层到学生模型层的映射,列表,指定哪些层保留
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用层减少功能。设为 true 启用,false 禁用。
  • keep_number_of_layers: 指定压缩后保留的层数,必须为正整数且小于原始模型层数。例如,BERT-base 有 12 层,设为 5 表示压缩到 5 层。
  • teacher_layer_mapping: 定义教师模型(原始模型)到学生模型(压缩模型)的层映射,列表中的整数表示教师模型的层索引。例如,[0, 2, 4, 7, 11] 表示从 12 层中选择第 0、2、4、7、11 层映射到学生模型的 5 层,用于知识蒸馏。

示例代码

import deepspeed
from transformers import BertModel

# 加载预训练模型
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased")

# 初始化 DeepSpeed 压缩
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = deepspeed.compression.init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行层减少
model = deepspeed.compression.redundancy_clean(model, deepspeed_config)

# 模型推理
input_ids = ...  # 输入数据
outputs = model(input_ids)

2.2 权重量化(Weight Quantization)

说明:权重量化将权重从高精度(如 FP32)转换为低精度(如 INT8、INT4),减少模型大小和推理时间。支持对称和非对称量化。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "weight_quantization": {
      "shared_parameters": {
        "enabled": true,              // 是否启用权重量化,布尔值,true 表示启用
        "quantizer_kernel": false,    // 是否使用量化内核加速,布尔值,true 表示启用(需硬件支持)
        "quantization_type": "asymmetric", // 量化类型,字符串,可选 "symmetric" 或 "asymmetric"
        "start_bits": 12,             // 初始量化位宽,整数,范围 [1, 16]
        "target_bits": 8,             // 目标量化位宽,整数,范围 [1, 16],需小于等于 start_bits
        "quantization_period": 50     // 量化周期,整数,表示每多少步执行一次量化
      },
      "different_groups": {
        "wq1": {
          "params": {
            "start_bits": 12,         // 组内初始量化位宽
            "target_bits": 8,         // 组内目标量化位宽
            "quantization_period": 50 // 组内量化周期
          },
          "modules": ["encoder.layer.0", "encoder.layer.1"] // 应用量化的模块名列表
        }
      }
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • shared_parameters: 全局量化参数,应用于所有未单独配置的模块。
    • enabled: 控制是否启用权重量化。
    • quantizer_kernel: 是否使用硬件加速量化内核(需特定硬件支持,如 NVIDIA GPU)。
    • quantization_type: 量化类型,symmetric 表示对称量化(权重范围对称于零),asymmetric 表示非对称量化(权重范围动态调整)。
    • start_bits: 初始量化位宽,通常为较高精度(如 12 位),用于渐进量化。
    • target_bits: 目标量化位宽,如 8 位或 4 位,决定最终模型大小。
    • quantization_period: 量化更新的步数间隔,控制量化过程的渐进性。
  • different_groups: 针对特定模块的差异化量化配置。
    • wq1: 量化组名称,用户自定义。
    • params: 组内量化参数,与 shared_parameters 字段相同。
    • modules: 指定应用该组量化的模块名称(如 Transformer 的特定层)。

示例代码

import deepspeed
import torch
from transformers import BertModel

# 加载模型
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased").to("cuda")
model.eval()

# DeepSpeed 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = deepspeed.compression.init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行权重量化
model = deepspeed.compression.redundancy_clean(model, deepspeed_config)

# 推理
data = torch.rand(4, 128, device="cuda")
outputs = model(data)

2.3 激活量化(Activation Quantization)

说明:激活量化将中间层激活值量化为低精度(如 INT8),减少计算开销。需校准数据以确定量化范围。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "activation_quantization": {
      "shared_parameters": {
        "enabled": true,              // 是否启用激活量化,布尔值,true 表示启用
        "quantization_type": "symmetric", // 量化类型,字符串,可选 "symmetric" 或 "asymmetric"
        "start_bits": 16,             // 初始量化位宽,整数,范围 [1, 16]
        "target_bits": 8,             // 目标量化位宽,整数,范围 [1, 16]
        "quantization_period": 100    // 量化周期,整数,表示每多少步执行一次量化
      }
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • shared_parameters:
    • enabled: 控制是否启用激活量化。
    • quantization_type: 量化类型,symmetric 表示对称量化,asymmetric 表示非对称量化。
    • start_bits: 初始激活量化位宽,通常为 16 位,确保初始精度。
    • target_bits: 目标激活量化位宽,如 8 位,决定计算效率。
    • quantization_period: 量化更新间隔,控制量化渐进性。

示例代码

import deepspeed
import torch
from transformers import BertModel

# 加载模型
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased").to("cuda")
model.eval()

# DeepSpeed 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = deepspeed.compression.init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行激活量化
model = deepspeed.compression.redundancy_clean(model, deepspeed_config)

# 推理
data = torch.rand(4, 128, device="cuda")
outputs = model(data)

2.4 剪枝(Pruning)

剪枝移除模型中不重要的权重或结构,减少模型大小和计算量。DeepSpeed 支持以下四种剪枝方式:

2.4.1 稀疏剪枝(Sparse Pruning)

说明:稀疏剪枝移除权重矩阵中的个别元素,生成稀疏矩阵。适合通用场景,但硬件加速效果有限。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "sparse_pruning": {
      "enabled": true,              // 是否启用稀疏剪枝,布尔值,true 表示启用
      "sparse_ratio": 0.5,          // 稀疏比率,浮点数,范围 [0, 1],表示移除的权重比例
      "schedule_offset": 0          // 剪枝开始的步数偏移,整数,控制剪枝时机
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用稀疏剪枝。
  • sparse_ratio: 移除权重的比例,如 0.5 表示移除 50% 的权重。
  • schedule_offset: 剪枝开始的训练步数,0 表示立即开始。

示例代码

import deepspeed
from deepspeed.compression.compress import init_compression, redundancy_clean

# 加载模型
model = ...  # 假设已加载模型
model.to("cuda").eval()

# 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行稀疏剪枝
model = redundancy_clean(model, deepspeed_config)
2.4.2 行剪枝(Row Pruning)

说明:行剪枝将权重矩阵的某些行置零,适用于 Transformer 前馈网络(如 BERT 的 intermediate.dense 层),硬件加速效果较好。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "row_pruning": {
      "enabled": true,              // 是否启用行剪枝,布尔值,true 表示启用
      "sparse_ratio": 0.4,          // 行稀疏比率,浮点数,范围 [0, 1],表示移除的行比例
      "modules": ["intermediate.dense"] // 应用行剪枝的模块名列表
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用行剪枝。
  • sparse_ratio: 移除行的比例,如 0.4 表示移除 40% 的行。
  • modules: 指定应用行剪枝的模块名称,如 intermediate.dense 表示前馈网络的中间层。

示例代码

import deepspeed
from deepspeed.compression.compress import init_compression, redundancy_clean

# 加载模型
model = ...  # 假设已加载模型
model.to("cuda").eval()

# 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行行剪枝
model = redundancy_clean(model, deepspeed_config)
2.4.3 头剪枝(Head Pruning)

说明:头剪枝移除 Transformer 多头注意力机制中不重要的注意力头,适用于 NLP 模型。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "head_pruning": {
      "enabled": true,              // 是否启用头剪枝,布尔值,true 表示启用
      "head_sparse_ratio": 0.3,     // 注意力头稀疏比率,浮点数,范围 [0, 1],表示移除的头比例
      "modules": ["attention.self"] // 应用头剪枝的模块名列表
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用头剪枝。
  • head_sparse_ratio: 移除注意力头的比例,如 0.3 表示移除 30% 的头。
  • modules: 指定应用头剪枝的模块,如 attention.self 表示注意力层。

示例代码

import deepspeed
from deepspeed.compression.compress import init_compression, redundancy_clean

# 加载模型
model = ...  # 假设已加载模型
model.to("cuda").eval()

# 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行头剪枝
model = redundancy_clean(model, deepspeed_config)
2.4.4 通道剪枝(Channel Pruning)

说明:通道剪枝移除卷积网络或 Transformer 中的某些通道,适用于视觉模型或特定 Transformer 层。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "channel_pruning": {
      "enabled": true,              // 是否启用通道剪枝,布尔值,true 表示启用
      "channel_sparse_ratio": 0.2,  // 通道稀疏比率,浮点数,范围 [0, 1],表示移除的通道比例
      "modules": ["conv1", "conv2"] // 应用通道剪枝的模块名列表
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用通道剪枝。
  • channel_sparse_ratio: 移除通道的比例,如 0.2 表示移除 20% 的通道。
  • modules: 指定应用通道剪枝的模块名称,如 conv1conv2

示例代码

import deepspeed
from deepspeed.compression.compress import init_compression, redundancy_clean

# 加载模型
model = ...  # 假设已加载模型
model.to("cuda").eval()

# 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行通道剪枝
model = redundancy_clean(model, deepspeed_config)

3. ZeroQuant 教程:高效且经济实惠的训练后量化

说明:ZeroQuant 是一种高效训练后量化(PTQ)方法,通过细粒度量化和层级知识蒸馏(LKD)实现 INT8 或 INT4/INT8 混合精度量化,保持高精度。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "zero_quant": {
      "enabled": true,              // 是否启用 ZeroQuant,布尔值,true 表示启用
      "quantization_type": "symmetric", // 量化类型,字符串,可选 "symmetric" 或 "asymmetric"
      "weight_bits": 8,             // 权重量化位宽,整数,范围 [1, 8],如 8 表示 INT8
      "activation_bits": 8,         // 激活量化位宽,整数,范围 [1, 8],如 8 表示 INT8
      "lkd_enabled": true,          // 是否启用层级知识蒸馏,布尔值,true 表示启用
      "lkd_layers": ["encoder.layer.0", "encoder.layer.1"] // 应用 LKD 的层名称列表
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用 ZeroQuant。
  • quantization_type: 量化类型,symmetricasymmetric
  • weight_bits: 权重量化位宽,如 8 表示 INT8,4 表示 INT4。
  • activation_bits: 激活量化位宽,通常为 8(INT8)。
  • lkd_enabled: 是否启用层级知识蒸馏,增强量化精度。
  • lkd_layers: 指定应用 LKD 的层名称,空列表表示所有层。

示例代码

import deepspeed
from transformers import BertModel
import torch

# 加载预训练模型
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased").to("cuda")
model.eval()

# DeepSpeed 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = deepspeed.compression.init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行 ZeroQuant 量化
model = deepspeed.compression.redundancy_clean(model, deepspeed_config)

# 推理
data = torch.rand(4, 128, device="cuda")
outputs = model(data)

4. XTC 教程:用于极端压缩的简单而有效的压缩管道

说明:XTC(eXTreme Compression)结合层减少和超低位量化(如 1 位权重),可将模型大小压缩 32x 甚至 50x,同时保持高精度。

JSON 配置

{
  "compression_training": {
    "xtc": {
      "enabled": true,              // 是否启用 XTC,布尔值,true 表示启用
      "layer_reduction": {
        "keep_number_of_layers": 5  // 保留的层数,整数,需小于原始层数
      },
      "weight_quantization": {
        "enabled": true,            // 是否启用权重量化,布尔值,true 表示启用
        "quantization_type": "binary", // 量化类型,字符串,"binary" 表示 1 位量化
        "target_bits": 1            // 目标量化位宽,整数,1 表示二值化
      },
      "activation_quantization": {
        "enabled": true,            // 是否启用激活量化,布尔值,true 表示启用
        "target_bits": 8            // 目标量化位宽,整数,8 表示 INT8
      }
    }
  }
}

JSON 配置解释

  • enabled: 控制是否启用 XTC。
  • layer_reduction:
    • keep_number_of_layers: 保留的层数,如 5。
  • weight_quantization:
    • enabled: 控制权重量化。
    • quantization_type: "binary" 表示 1 位二值化。
    • target_bits: 目标位宽,1 表示二值化。
  • activation_quantization:
    • enabled: 控制激活量化。
    • target_bits: 目标位宽,8 表示 INT8。

示例代码

import deepspeed
from transformers import BertModel
import torch

# 加载预训练模型
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased").to("cuda")
model.eval()

# DeepSpeed 压缩初始化
deepspeed_config = "deepspeed_config.json"
model = deepspeed.compression.init_compression(model, deepspeed_config)

# 执行 XTC 压缩
model = deepspeed.compression.redundancy_clean(model, deepspeed_config)

# 推理
data = torch.rand(4, 128, device="cuda")
outputs = model(data)

运行示例

运行 DeepSpeed 压缩的示例脚本:

# 安装依赖
cd DeepSpeedExamples/model_compression/bert
pip install -r requirements.txt

# 运行 XTC 压缩
bash bash_script/XTC/run_glue_no_trainer.py \
  --model_name_or_path bert-base-uncased \
  --deepspeed_config deepspeed_config.json

5. 代码示例:压缩与推理

本示例使用 Hugging Face 的 IMDb 数据集(情感分类)和 DistilBERT 模型。也可以替换为其他模型(如 LLaMA)或数据集。

以下是一个完整的示例,展示如何使用 DeepSpeed Compression 压缩 DistilBERT 模型(层减少 + INT8 量化),并结合 deepspeed.init_inference() 进行高效推理。

import deepspeed
import torch
from transformers import AutoModelForSequenceClassification, AutoTokenizer
from deepspeed.compression import init_compression, redundancy_clean
from datasets import load_dataset
import os

# Environment setup
os.environ["MASTER_ADDR"] = "localhost"
os.environ["MASTER_PORT"] = "29500"

# Load model and tokenizer
model_name = "distilbert-base-uncased"
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_name, num_labels=2)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)

# DeepSpeed compression config
ds_config = {
    "compression_training": {
        "layer_reduction": {
            "enabled": True,
            "keep_number_layer": 6,	#减少到 6 层 (目标层数)
            "module_name_prefix": "bert.encoder.layer",	
            "teacher_layer": [0, 2, 4, 6, 8, 10],	# 教师模型层选择(从教师模型中选择的层索引)
            "other_module_name": ["bert.embeddings", "bert.pooler", "classifier"]	# 保留的非 Transformer 层(如嵌入层、分类层)
        },
        "weight_quantization": {
            "enabled": True,
            "quantize_type": "symmetric",	# 对称量化(symmetric)或非对称量化(asymmetric)
            "num_bits": 8	# 量化位数(如 8 表示 INT8,4 表示 INT4)
        }
    },
    "fp16": {"enabled": True},
    "zero_optimization": {
        "stage": 3,
        "offload_param": {"device": "cpu", "pin_memory": True}
    }
}

# Apply compression
model = init_compression(model, ds_config)

# Load dataset for fine-tuning (optional)
dataset = load_dataset("imdb")
def preprocess(examples):
    return tokenizer(examples["text"], truncation=True, padding="max_length", max_length=512)
tokenized_dataset = dataset.map(preprocess, batched=True)

# Fine-tune compressed model (simplified)
from transformers import Trainer, TrainingArguments
training_args = TrainingArguments(
    output_dir="./compressed_output",
    per_device_train_batch_size=4,
    gradient_accumulation_steps=4,
    num_train_epochs=1,
    deepspeed=ds_config
)
trainer = Trainer(
    model=model,
    args=training_args,
    train_dataset=tokenized_dataset["train"]
)
trainer.train()

# Clean compression
model = redundancy_clean(model)

# Initialize DeepSpeed inference
ds_engine = deepspeed.init_inference(
    model=model,
    mp_size=2,  // 2 GPUs
    dtype=torch.float16,
    replace_with_kernel_inject=True,
    enable_cuda_graph=True
)

# Inference
text = "This movie is fantastic!"
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt", padding=True, truncation=True, max_length=512).to("cuda")
with torch.no_grad():
    outputs = ds_engine(inputs)
    logits = outputs.logits
    pred = torch.argmax(logits, dim=-1)
    print(f"Text: {text}, Prediction: {'Positive' if pred.item() == 1 else 'Negative'}")

6. 运行步骤

5.1 保存代码和配置

  • 保存 DeepSpeed 配置文件为 ds_config.json
  • 保存上述代码为 compress_infer.py

5.2 运行命令

使用 deepspeed 命令运行(假设有 2 块 GPU):

deepspeed --num_gpus=2 compress_infer.py

5.3 输出

  • 训练日志:显示压缩和微调进度。
  • 推理结果
    Text: This movie is fantastic!
    Prediction: Positive
    

7. 关键实现细节

7.1 压缩流程

  • 初始化压缩init_compression 根据 ds_config 修改模型结构(如减少层数、量化权重)。
  • 微调:压缩后的模型通过任务特定数据(如 IMDb)微调,恢复精度。
  • 清理压缩redundancy_clean 优化模型结构,确保推理兼容性。
  • 推理deepspeed.init_inference 加载压缩模型,应用张量并行和优化内核。

7.2 与 deepspeed.init_inference() 的结合

  • 压缩模型支持:压缩后的模型直接兼容 deepspeed.init_inference,支持 INT8 权重和激活。
  • 推理优化
    • 张量并行(mp_size)分区压缩模型权重。
    • FP16/BF16(dtype)进一步降低内存。
    • 优化内核(replace_with_kernel_inject)加速 INT8 计算。
    • CUDA Graph(enable_cuda_graph)减少固定形状输入的延迟。

7.3 ZeroQuant 特点

  • 零成本量化:无需量化感知训练(QAT),直接后训练量化(PTQ)。
  • 层级知识蒸馏(LKD):通过逐层蒸馏保留量化模型精度。
  • 支持 INT4/INT8:如 BERT 和 GPT-3 模型的混合精度量化。

7.4 XTC 特点

  • 极致压缩:结合层减少、二值化和知识蒸馏,压缩比高达 32x。
  • 模块化 API:通过压缩组合器简化多方法协同应用。

8.学习资源

Logo

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