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权重只有-1、0、+1,模型为什么还能学会东西?

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训练时就把量化塞进循环里,模型会自己找到能扛住舍入误差的权重。这条路最终通向BitNet:每个权重只有-1、0或+1。要理解它,得先回到量化感知训练(QAT)的基本盘。


常规训练找到一个损失足够低的点就收工,不再关心这个点周围的损失形状。所谓形状,指的是把权重从极小值挪开一点,损失会以多快的速度反弹。这在标准流程里没问题,因为模型发布之后权重就不再动了。

量化打破了这个前提。每个权重最终会落在训练留下的位置附近一个误差范围δ内,这是量化带来的权重偏差。于是重要的不只是极小值处的损失有多低,还有离开极小值之后损失爬升得有多快。

在极小值附近斜率为零,权重被挪动δ带来的损失增量约为ΔL ≈ ½ · H · δ²,H是曲率,也就是损失随权重变化的速度。两个损失相同的极小值,行为可以完全不同:尖锐的极小值曲率大,一点舍入误差就要付出很大损失;宽阔的极小值曲率小,同样的误差几乎无关痛痒。

所以QAT同时优化两件事:低损失,以及极小值周围平缓的曲率,让量化误差被控制在可承受的范围内。

这里有个坎。舍入操作几乎处处梯度为零,反向传播从它身上学不到任何东西。解法是直通估计器(STE):前向传播用量化后的值,反向传播假装舍入是恒等函数,把梯度直接放过去。

模型用舍入后的权重做计算,优化器更新的却是底下那份全精度权重。这个思路要记住,BitNet把它推到了极限。实践中QAT通常能赢过训练后量化(PTQ),在4比特这类低比特宽度下差距最明显。

线性层是神经网络最基本的积木:输入一个向量,乘上一个学到的权重矩阵,输出一个新向量。模型绝大部分参数就是这类权重矩阵里的元素。权重是存下来的、学到的数字,训练完就固定;激活值是某个输入在模型里流动的数字,每个token都在变。正常模型里两者都是FP16。

Transformer是一摞相同的块,每块两部分,带权重的地方几乎都是线性层。注意力里有四个:Q、K、V投影和输出投影,中间那步softmax(QKᵀ)V是把两组激活值相乘,没有存储权重,不算线性层。前馈网络里有两个:上投影和下投影,中间夹一个GELU非线性。BitNet盯上线性层,就是因为压缩了它们,模型就小了。

BitNet把大部分Linear换成BitLinear,任务不变,还是输入乘权重,但进去的数字小得多。乘以+1或-1只是保留一个数或翻转它的符号,矩阵乘法就塌缩成加减法。乘法是芯片最昂贵的操作之一,这一步同时省下时间、能耗和内存。

两边都量化会丢掉尺度信息:一个±1的权重不再说明原来的数值有多大。所以BitLinear保留两个缩放因子,一个给权重,一个给激活值,最后用它们把结果拉回正确的量级。

具体配方是:输入从FP16量化到INT8,用absmax缩放,放在LayerNorm之后,让激活值有稳定的尺度可量化;权重二值化,取权重均值α,高于它的变+1,低于它的变-1,先做中心化能让正负号大致平衡;用整数输入和±1权重做矩阵乘,主要是加法;最后用激活缩放和权重缩放β(权重绝对值的均值)反量化输出。这是两个量化器叠在一起,一个管激活,一个管权重。

既然训练就是在学哪些权重该开、哪些该关,为什么不直接存1个比特?因为梯度。二值化函数是sign(),梯度处处为零,零点处未定义。如果权重只是比特,梯度下降没有任何东西可更新。

所以和QAT一样,模型保留高精度的潜权重,论文里实际用FP16/BF16训练。循环是这样的:保留一份全精度潜权重;前向用sign二值化,用±1版本计算;反向走STE,梯度落到潜权重上;更新潜权重。

有人会以为潜权重是INT8,这行不通。学习率很小,INT8权重上的一次微小梯度步会被舍入回同一个整数,更新直接消失。潜权重需要足够的分辨率,去累积许多次微小推动,直到某一次终于把符号翻过来。推理时只需要±1版本,潜权重是训练期的脚手架。

那1比特是不是个幌子?论文说模型越大,BitNet越接近FP16质量,这听起来像是只要模型够大、节省就消失了。并非如此。节省是按参数算的:1比特模型可能需要更多参数来匹配质量,但每个参数最多小16倍,只有当需要的参数超过16倍时才会失效。论文呈现的趋势是,质量差距随模型规模缩小。

后续论文《The Era of 1-bit LLMs》(BitNet b1.58)发现,纯1比特要匹配全精度质量需要很大的规模,作者于是加了一个状态:零。权重变成-1、0或+1。

零让一个权重可以说“这条连接不重要”,而不必被迫把输出往上或往下推。权重矩阵的表达力提升了,代价几乎为零。配方是:算权重绝对值的均值γ,每个权重除以γ后舍入到-1、0、+1中最接近的一个。等价地说,|w|大于γ/2变+1,w小于-γ/2变-1。这叫absmean量化,激活值改用对称的absmax量化,围绕零缩放,而不是之前的0到最大值区间。训练设置其余部分,包括潜权重和STE,都不变。

拿五个权重举例:w = [0.9, -0.3, 0.05, -1.2, 0.4]。那个很小的0.05在1比特版本里被逼成±0.57,误差0.52;有了零可用,它的误差降到0.05,其余四个不变。

“1.58”这个数字来自信息论:三个状态需要log2(3)≈1.58比特的信息量。硬件存不了1.58比特,实际实现要打包。最简单的打包是每个权重2比特;更紧的一种把5个三值塞进一个字节(3⁵=243≤256),合每个权重1.6比特。所以1.58是理论值,实际存储略高于它。相对FP16,每个参数大约小10倍。

把这条线收一下:PTQ舍入一个训练完的模型;QAT把舍入放进训练循环,让模型自己找到能活下来的权重。它成立的原因是几何——偏好宽阔的极小值,低曲率让量化误差代价很小。舍入没有梯度,于是用STE并保留高精度潜权重来累积微小更新。BitNet用sign()落实这套做法,b1.58再加一个零,用absmean缩放,换来更好的质量与体积权衡。

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