借助小語(yǔ)言模型，高效 Arm 計(jì)算賦能定制化 AI 未來

在過去的一年多里，大語(yǔ)言模型 (LLM) 推動(dòng)了生成式 AI 的早期創(chuàng)新浪潮，訓(xùn)練參數(shù)量朝萬億級(jí)規(guī)模邁進(jìn)，但越來越多的證據(jù)表明，無限制地?cái)U(kuò)展 LLM 并不具備可持續(xù)性。至少來說，通過此方式來發(fā)展 AI 所需的基礎(chǔ)設(shè)施成本過于高昂，僅有少數(shù)企業(yè)可以承受。此類 LLM 需要消耗大量算力和電力，運(yùn)營(yíng)成本不菲。這些項(xiàng)目將帶來沉重的財(cái)務(wù)和資源負(fù)擔(dān)，例如 GPT-4 的訓(xùn)練成本至少為一億美元。

除此之外，這些 LLM 的開發(fā)和部署過程也相對(duì)復(fù)雜。劍橋大學(xué)的一項(xiàng)研究 ^[1] 指出，企業(yè)將花費(fèi)超過 90 天來部署單一的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 模型。漫長(zhǎng)的周期阻礙了快速開發(fā)和迭代實(shí)驗(yàn)的步伐，而這在 AI 技術(shù)飛速發(fā)展的領(lǐng)域卻又至關(guān)重要。

綜合考慮以上因素和其他挑戰(zhàn)，AI 的開發(fā)重心正逐漸轉(zhuǎn)向小語(yǔ)言模型 (Small Language Models, SLM)，有時(shí)或稱小型 LLM，從而借助其效率更高、資源需求更少，以及更易于定制和控制等優(yōu)勢(shì)來解決多項(xiàng)挑戰(zhàn)。相比于生成較復(fù)雜或精細(xì)的內(nèi)容，SLM（例如 Llama、Mistral、Qwen、Gemma、Phi-3 的小規(guī)模參數(shù)版本）在執(zhí)行對(duì)話、翻譯、摘要和分類等較簡(jiǎn)單的集中任務(wù)時(shí)，效率更高，其訓(xùn)練過程也僅需消耗較少的電力。

這有助于開發(fā)者構(gòu)建具有多模態(tài)功能的生成式 AI 解決方案，用于處理和生成文本、圖像和音頻等不同媒體形式的內(nèi)容。

Llama 3 等基礎(chǔ)模型可以利用特定上下文數(shù)據(jù)進(jìn)一步微調(diào)，以專注于特定應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)科學(xué)、代碼生成或其它專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域。結(jié)合這些較小體量 LLM 的可及性，這些應(yīng)用讓生成式 AI 更為普及，并讓不具備 GPU 集群的應(yīng)用開發(fā)者也可獲得 AI 功能，進(jìn)而開辟了新的應(yīng)用和用例。

與此同時(shí)，諸如量化等底層優(yōu)化技術(shù)也是提高模型效率的有效方式。量化技術(shù)通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重進(jìn)行更低精度計(jì)算，可以縮減模型大小。量化可以將 16 位浮點(diǎn)數(shù)壓縮為 4 位整數(shù)，進(jìn)而大幅降低了內(nèi)存和計(jì)算需求，對(duì)準(zhǔn)確度也僅有細(xì)微影響。例如，應(yīng)用這一方法后，原本擁有 70 億參數(shù)的 Llama 2 模型可從 13.5 GB 縮減至 3.9 GB，130 億參數(shù)版本可從 26.1 GB 縮減至 7.3 GB，700 億參數(shù)模型可從 138 GB 縮減至 40.7 GB。這項(xiàng)技術(shù)提高了這些輕量級(jí)模型的運(yùn)行速度，還降低了軟件運(yùn)行成本，尤其是在 CPU 上的軟件運(yùn)行成本。

結(jié)合更高效、性能更強(qiáng)大的 Arm CPU 技術(shù)，這些軟件進(jìn)展使規(guī)模更小、效率更高的 語(yǔ)言模型能夠直接在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行 ，從而提高性能、保護(hù)隱私并優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

llama.cpp 等專用框架也促進(jìn)了 SLM 的興起。與 PyTorch 等通用框架相比，llama.cpp 專注于優(yōu)化 CPU 推理的性能，能在通用硬件上更快速、更高效地執(zhí)行基于 Llama 的模型。這種可及性為廣泛部署提供了新的可能，而無需依賴專門的 GPU 資源，從而使 LLM 能夠服務(wù)于更廣泛的用戶群體和應(yīng)用。

那么，硬件在其中又扮演了什么角色呢？

Arm Neoverse CPU 通過 Neon 和 SVE 等 SIMD 指令提升 ML 處理進(jìn)程，尤其是用以加速通用矩陣乘法 (General Matrix Multiplications, GEMM)，這是一種涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜乘法的核心算法。在過去幾代產(chǎn)品中，Arm 不斷在其 Neon 和 SVE2 引擎中引入 SDOT (Signed Dot Product) 和 MMLA (Matrix Multiply Accumulate) 等功能指令，進(jìn)而增強(qiáng)關(guān)鍵的 ML 算法。這有助于提高廣泛部署的服務(wù)器 CPU 效率，如 AWS Graviton 和 NVIDIA Grace，以及近期宣布投入量產(chǎn)的 Microsoft Cobalt 和 Google Axion 。

典型的 LLM 管線可劃分為兩個(gè)階段：

在聊天、風(fēng)格轉(zhuǎn)換、總結(jié)生成和內(nèi)容創(chuàng)建等不同應(yīng)用中，提示大小、詞元生成以及對(duì)于速度、質(zhì)量需求之間的優(yōu)先級(jí)會(huì)有所不同。交互式聊天優(yōu)先考慮快速響應(yīng)，風(fēng)格轉(zhuǎn)換強(qiáng)調(diào)輸出質(zhì)量，總結(jié)生成需要平衡全面性和及時(shí)性，而內(nèi)容創(chuàng)建則側(cè)重于生成大量?jī)?yōu)質(zhì)素材。

簡(jiǎn)而言之，語(yǔ)言模型是否有效，取決于能否根據(jù)快速交互、高效摘要、高質(zhì)量寫作和大量?jī)?nèi)容創(chuàng)作輸入處理等任務(wù)需要，精細(xì)調(diào)整其輸入處理和文本生成。

為了評(píng)估 Neoverse CPU 執(zhí)行 LLM 任務(wù)的效率，Arm 軟件團(tuán)隊(duì)和合作伙伴對(duì) llama.cpp 中的 int4 和 int8 內(nèi)核進(jìn)行了優(yōu)化，以利用基于 Arm 架構(gòu)的服務(wù)器 CPU 中較新的指令。團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)過 int4 量化并具有 80 億參數(shù)的 Llama 3 模型，對(duì) AWS r7g.16xlarge 實(shí)例進(jìn)行了性能測(cè)試，該實(shí)例搭載了 64 個(gè)基于 Arm 架構(gòu)的 Graviton3 核心并配置了 512 GB RAM。

測(cè)試結(jié)果如下：

基于 CPU 的云實(shí)例為開發(fā)者提供了靈活、經(jīng)濟(jì)、快速的開發(fā)起點(diǎn)，使其能夠輕松在應(yīng)用中部署規(guī)模較小的專用 LLM。Arm 在自身的架構(gòu)中引入了多項(xiàng)關(guān)鍵功能，顯著提升了 LLM 的性能。得益于此，與其他服務(wù)器 CPU 相比，廣泛部署且基于 Neoverse 平臺(tái)的服務(wù)器處理器（如 AWS Graviton3）不僅能提供業(yè)界領(lǐng)先的 LLM 性能，還能為更多應(yīng)用開發(fā)者降低采用 LLM 的成本門檻。

具體來說，僅需兩分錢左右就可以在兩秒鐘內(nèi)處理完本篇推文，并在不到一秒鐘內(nèi)生成簡(jiǎn)短摘要。

Arm 一直處于推動(dòng)向 SLM 發(fā)展的前沿，我們深切認(rèn)識(shí)到了這一趨勢(shì)的潛力，并已準(zhǔn)備好迎接這一轉(zhuǎn)變。深深根植于 Arm DNA 的高效和出色性能的 CPU 廣受市場(chǎng)贊譽(yù)，能在不會(huì)影響質(zhì)量或性能的前提下，無縫運(yùn)行 AI 工作負(fù)載。

較大規(guī)模的語(yǔ)言模型在短短一年多的時(shí)間對(duì)科技行業(yè)和整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，短時(shí)間內(nèi)必然不會(huì)消失。

隨著定制化難度降低和必要性提升，SLM 正借此東風(fēng)展翅高飛，占據(jù)其市場(chǎng)位置。

我們即將迎來的小語(yǔ)言模型將大有可為！