Quantisierung für mobile Sprachmodelle: Ein Durchbruch für On-Device KI

Einführung

Große Sprachmodelle (LLMs) haben die Verarbeitung natürlicher Sprache revolutioniert und außergewöhnliche Ergebnisse in verschiedenen Anwendungen geliefert. Dennoch stellt die Implementierung solcher Modelle auf Edge-Geräten, wie Mobiltelefonen, erhebliche Herausforderungen hinsichtlich Speicher, Energie und Rechenleistung dar. Diese Hürden begrenzen ihre breite Nutzung auf mobilen Geräten. Eine vielversprechende Lösung besteht darin, die Anzahl der Bits zu reduzieren, die verwendet werden, um Gewichte und Aktivierungen darzustellen.

Herausforderungen bei der Quantisierung

Während bestehende Arbeiten teilweise Erfolge bei der Quantisierung von LLMs auf niedrigere Bitbreiten, wie z.B. 4-Bit-Gewichte, erzielt haben, führt die Quantisierung von Aktivierungen über 16 Bits hinaus oft zu erheblichen Rechenaufwänden aufgrund mangelnder On-Device-Quantisierungsunterstützung oder zu einem erheblichen Genauigkeitsverlust. Trotzdem sind 8-Bit-Aktivierungen sehr attraktiv für die On-Device-Bereitstellung, da sie es LLMs ermöglichen würden, mobile Hardware wie Neural Processing Units (NPUs) vollständig auszunutzen.

MobileQuant: Eine neue Lösung

In dieser Arbeit wird erstmals der Versuch unternommen, die On-Device-Bereitstellung von LLMs durch eine rein Integer-basierte Quantisierung zu erleichtern. Wir untersuchen zunächst die Einschränkungen bestehender Quantisierungsmethoden für die On-Device-Bereitstellung mit einem besonderen Fokus auf die Aktivierungsquantisierung. Anschließend adressieren wir diese Einschränkungen, indem wir eine einfache Post-Training-Quantisierungsmethode einführen, die MobileQuant genannt wird. MobileQuant erweitert frühere Arbeiten zur Gewichtstransformation, indem sie die Gewichtstransformation und die Aktivierungsbereichsparameter in einem End-to-End-Verfahren gemeinsam optimiert.

Leistungsfähigkeit von MobileQuant

MobileQuant zeigt gegenüber bestehenden Methoden überlegene Fähigkeiten, indem es:

- Nahezu verlustfreie Quantisierung über eine breite Palette von LLM-Benchmarks erreicht - Latenz und Energieverbrauch um 20%-50% im Vergleich zu aktuellen On-Device-Quantisierungsstrategien reduziert - Einen begrenzten Rechenaufwand erfordert - Mit mobilen Recheneinheiten wie NPUs kompatibel ist

Technische Umsetzung

Die technische Umsetzung von MobileQuant basiert auf einer Post-Training-Quantisierungsstrategie. Diese Methode nutzt eine Gewichtsequivalent-Transformation und optimiert die Aktivierungsbereichsparameter in einem End-to-End-Verfahren. Durch die gezielte Anpassung der Parameter wird eine nahezu verlustfreie Quantisierung erreicht, die eine hohe Genauigkeit der Modelle beibehält.

Vorteile für mobile Anwendungen

Die Implementierung von MobileQuant ermöglicht es Entwicklern, leistungsfähige Sprachmodelle direkt auf mobilen Geräten zu betreiben, ohne auf Cloud-Dienste angewiesen zu sein. Dies führt zu einer Reduktion der Latenzzeiten und des Energieverbrauchs und erhöht gleichzeitig die Privatsphäre der Benutzer, da keine Daten an externe Server gesendet werden müssen.

Zukunftsperspektiven

Die Entwicklung von MobileQuant markiert einen wichtigen Schritt in Richtung effizienter On-Device-KI. Zukünftige Forschungen könnten sich darauf konzentrieren, die Methodik weiter zu verfeinern und auf andere Modelle und Anwendungen auszuweiten. Darüber hinaus könnte die Integration von MobileQuant in bestehende Entwicklungs- und Produktionsumgebungen die Verbreitung und Akzeptanz von KI auf mobilen Geräten weiter vorantreiben.

Schlussfolgerung

MobileQuant bietet eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen bei der On-Device-Bereitstellung großer Sprachmodelle. Durch die effiziente Quantisierung von Gewichten und Aktivierungen ermöglicht es die Nutzung leistungsfähiger Sprachmodelle auf mobilen Geräten, was zu einer verbesserten Leistung und einem geringeren Energieverbrauch führt. Diese Entwicklung könnte die Art und Weise, wie KI in mobilen Anwendungen eingesetzt wird, grundlegend verändern.

Bibliografie

- https://openreview.net/forum?id=DYqbooTruk - https://openreview.net/pdf/79b655d4545031b822a04cc061fefe5d20e191ea.pdf - https://arxiv.org/abs/2402.14905 - https://arxiv.org/pdf/2402.14905 - https://github.com/htqin/awesome-model-quantization - https://stackoverflow.blog/2023/08/23/fitting-ai-models-in-your-pocket-with-quantization/ - https://github.com/Zhen-Dong/Awesome-Quantization-Papers - https://paperswithcode.com/task/quantization