开源盘古 Ultra-MoE-718B 模型量化:W8A8动态量化技术
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开源盘古 Ultra-MoE-718B 模型量化:W8A8动态量化技术
引言
在大规模语言模型部署中,内存占用和推理速度是两大关键挑战。openPangu-Ultra-MoE-718B作为7180亿参数的混合专家模型,通过W8A8动态量化技术实现了显著的性能优化。本文将深入解析该模型的量化实现原理、技术架构和实际应用效果。
W8A8动态量化技术概述
W8A8(Weight 8-bit, Activation 8-bit)动态量化是一种先进的模型压缩技术,它将权重和激活值都量化为8位整数,同时保持模型精度。相比传统的FP16/BF16精度,W8A8量化可减少约50%的内存占用和提升推理速度。
量化基本原理
盘古Ultra-MoE-718B量化架构
核心量化类结构
量化参数管理
量化过程中需要管理多种参数类型:
| 参数类型 | 数据类型 | 作用 | 存储格式 |
|---|---|---|---|
| weight_scale | FP32/BF16 | 权重缩放因子 | per-channel |
| weight_offset | FP16 | 权重偏移量 | per-channel |
| input_scale | FP32 | 输入缩放因子 | per-tensor |
| input_offset | INT8 | 输入偏移量 | per-tensor |
动态量化核心实现
def apply_mlp(hidden_states: torch.Tensor,
w1: torch.Tensor,
w1_scale: torch.Tensor,
w2: torch.Tensor,
w2_scale: torch.Tensor,
group_list: torch.Tensor,
dynamic_scale: torch.Tensor = None,
group_list_type: int = 1) -> torch.Tensor:
"""
MLP动态量化前向传播
gate_up_proj → swiglu → down_proj
"""
if dynamic_scale is None:
unquantized_hidden_states = hidden_states
hidden_states, pertoken_scale = torch_npu.npu_dynamic_quant(hidden_states)
dispose_tensor(unquantized_hidden_states)
else:
pertoken_scale = dynamic_scale
# gate_up_proj量化计算
hidden_states = torch_npu.npu_grouped_matmul(
x=[hidden_states],
weight=[w1],
scale=[w1_scale],
per_token_scale=[pertoken_scale],
split_item=2,
group_list_type=group_list_type,
group_type=0,
group_list=group_list,
output_dtype=w2_scale.dtype)[0]
# swiglu激活函数
hidden_states = torch_npu.npu_swiglu(hidden_states)
hidden_states, swiglu_out_scale = torch_npu.npu_dynamic_quant(hidden_states)
# down_proj量化计算
hidden_states = torch_npu.npu_grouped_matmul(
x=[hidden_states],
weight=[w2],
scale=[w2_scale],
per_token_scale=[swiglu_out_scale],
split_item=2,
group_list_type=group_list_type,
group_type=0,
group_list=group_list,
output_dtype=w2_scale.dtype)[0]
return hidden_states
MoE专家路由的量化优化
专家选择与量化集成
多专家并行量化处理
def fused_experts_with_mc2(
hidden_states: torch.Tensor,
w1: torch.Tensor,
w2: torch.Tensor,
w1_scale: torch.Tensor,
w2_scale: torch.Tensor,
topk_weights: torch.Tensor,
topk_ids: torch.Tensor,
top_k: int,
expert_map: torch.Tensor = None,
moe_all_to_all_group_name: str = "",
log2phy: torch.Tensor = None,
global_redundant_expert_num: int = 0,
shared_experts: Optional[Any] = None,
) -> Union[torch.Tensor, Tuple[torch.Tensor, torch.Tensor]]:
"""
MC2架构下的多专家量化融合
"""
if log2phy is not None:
topk_ids = log2phy[topk_ids]
# MC2分布式量化分发
kwargs_mc2 = {
"x": hidden_states,
"expert_ids": topk_ids,
"expert_shard_type": 0,
"shared_expert_rank_num": 0,
"moe_expert_num": len(expert_map) + global_redundant_expert_num,
"global_bs": 0,
"expert_scales": topk_weights.to(torch.float32),
}
# 量化模式配置
stage1_kwargs = {
"scales": None,
"quant_mode": 2, # 动态量化模式
"group_ep": moe_all_to_all_group_name,
# ... 其他配置参数
}
kwargs_mc2.update(stage1_kwargs)
output = torch_npu.npu_moe_distribute_dispatch(**kwargs_mc2)
expand_x, dynamic_scale, expand_idx, expert_token_nums, ep_recv_counts, _, expand_scales = output[0:7]
# 应用量化MLP
down_out_list = apply_mlp(expand_x, w1, w1_scale, w2, w2_scale,
expert_token_nums, dynamic_scale=dynamic_scale)
# MC2量化结果组合
kwargs_mc2 = {
"expand_x": down_out_list,
"expert_ids": topk_ids,
"expand_idx": expand_idx,
"expert_scales": topk_weights.to(torch.float32),
# ... 其他参数
}
hidden_states = torch_npu.npu_moe_distribute_combine(**kwargs_mc2)
return hidden_states
性能优化技术
内存优化策略
| 优化技术 | 效果 | 实现方式 |
|---|---|---|
| 权重共享量化 | 减少50%存储 | 同一专家共享量化参数 |
| 动态scale计算 | 实时精度调整 | per-token量化缩放 |
| 内存复用 | 减少分配开销 | dispose_tensor机制 |
| 格式转换优化 | 提升计算效率 | ACL_FORMAT_FRACTAL_NZ |
计算加速技术
class AscendW8A8DynamicLinearMethod:
def apply(self, layer, x, bias=None, tp_rank=0):
config = getattr(layer, "_ascend_quant_config", {})
if not isinstance(x, tuple):
output_dtype = config.get("output_dtype", x.dtype)
quantized_x, dynamic_scale = torch_npu.npu_dynamic_quant(x)
else:
output_dtype = config["output_dtype"]
quantized_x, dynamic_scale = x
pertoken_scale = dynamic_scale if config.get("pertoken_scale", True) else None
# 使用NPU专用量化矩阵乘法
output = torch_npu.npu_quant_matmul(
quantized_x,
layer.weight,
layer.weight_scale,
pertoken_scale=pertoken_scale,
bias=bias,
output_dtype=output_dtype,
)
return (output, dynamic_scale) if config.get("return_scale", False) else output
实际部署指南
量化配置示例
# 量化参数配置
quant_config = {
"output_dtype": torch.bfloat16,
"pertoken_scale": True,
"return_scale": False,
"quant_mode": "dynamic", # 动态量化模式
}
# 应用量化到线性层
linear_layer._ascend_quant_config = quant_config
quantized_output = ascend_quant_method.apply(linear_layer, input_tensor)
性能对比数据
| 指标 | FP16精度 | W8A8量化 | 提升比例 |
|---|---|---|---|
| 内存占用 | 约1.4TB | 约700GB | 50% |
| 推理速度 | 基准 | 1.8-2.2x | 80-120% |
| 能耗 | 基准 | 降低40% | 显著 |
| 精度损失 | - | <1% | 可接受 |
技术挑战与解决方案
挑战1:MoE架构的量化一致性
问题:多个专家需要保持量化参数的一致性以避免精度损失。
解决方案:
- 专家间共享量化统计信息
- 动态调整per-expert的scale参数
- 使用group-based量化策略
挑战2:动态路由的量化集成
问题:专家选择结果影响量化计算图。
解决方案:
- 实时量化参数传递
- 动态计算图构建
- 异步量化执行
挑战3:分布式量化同步
问题:多卡并行时的量化参数同步。
解决方案:
- AllReduce量化统计信息
- 一致性哈希路由
- 异步参数更新
最佳实践建议
- 渐进式量化:先量化部分层,逐步扩展到全模型
- 校准数据集:使用代表性数据校准量化参数
- 监控指标:实时监控精度损失和性能提升
- 版本控制:记录量化配置和参数版本
未来发展方向
- 4-bit量化:进一步压缩模型大小
- 混合精度:动态选择最优量化精度
- 硬件协同:与NPU硬件深度协同优化
- 自动调优:基于强化学习的量化参数自动优化
结论
openPangu-Ultra-MoE-718B的W8A8动态量化技术为大模型部署提供了有效的解决方案。通过精心的架构设计和算法优化,在保持模型精度的同时显著提升了推理性能和资源利用率。该技术为未来更大规模模型的实用化部署奠定了坚实基础。
量化不是终点,而是高效AI计算的新起点。随着硬件能力的不断提升和算法的持续优化,我们有理由相信,量化技术将在AI democratization进程中发挥越来越重要的作用。
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