不开玩笑——在家部署1800亿参数的Falcon大模型

Falcon的发布机构TII官网

前几天Falcon-180B大模型发布，在Hugging Face的所有LLM（大语言模型）里面排名第一，应该也是迄今为止参数量最大的开源预训练模型了。就性能来说，我看很多国外的专家都在给他背书，说仅次于GPT-4，和PaLM2相当，也就是说性能已经超过了大部分常用的ChatGPT3.5（GPT-3.5）了。开始我是不相信的，但是马上一想，这是TII（阿联酋阿布扎比技术创新研究所）发布的，我信了，因为他们是一群有“钞”能力的人。

很快，我们吕总就开始问我了，搞不搞。我一想到1800亿参数，那还不得上百张A100啊，不可能的，直接拒绝了。但是意识到可以自己武断了，于是再去好好查看了他们的网站，果然是我唐突了。官方说推理的话，400GB的显存就可以了，也就是6张A100-80GB就可以了（实际需要大概8张A100），大概也就是84万元（实际需要112万元）人民币（不考虑其他设备成本的话）。

好吧，这个“也就”用的有点飘，我感觉到了。

说实话180B的大模型，目前还没有太多中文benchmark出来，所以，我还是很想去尝试一下，看看效果的。

于是，我找到了一篇文章：《Falcon 180B: Can It Run on Your Computer?》，可能大多数人不一定能打开原文，那么可以看我下面的一些转述。

注：本文中180B中的B代表billion，也就是十亿，所以180B=1800亿。

2023年5月，阿布扎比技术创新研究所(TII)已经发布了两种预训练大语言模型：Falcon-7b和Falcon-40b，以及它们的聊天版本（Chat）。这两个模型表现出了非常好的性能，并曾经在OpenLLM排行榜上排名第一。

TII发布的第三个大模型就是Falcon-180B，一个1800亿个参数模型。它比Llama2-70b多2.5x参数，比Falcon-40b多4.5x参数。

关于Falcon-180B的一些基本情况(1)

• 预训练3.5万亿tokens(2)
• 使用Apache 2.0 license分发
• 容量大小为360GB
• 在OpenLLM排行榜(3)上排名第一(截至2023年9月11日)

OpenLLM排行榜截图(2023年9月11日)

还有一个聊天（Chat）版本。这些模型可以在Hugging Face中心找到:

• Falcon 180B
• Falcon 180B Chat

Falcon-180B是完全免费和最先进的。但它也是一个巨大的模型。

那么，它能在你的电脑上运行吗?

除非你的计算机已经准备好进行非常密集的计算，否则它无法开箱即用地运行Falcon180B。您将需要升级您的计算机并使用该模型的量化版本。

接下来，我们来看看如何在消费类硬件上运行Falcon-180B。我们将看到，在家用计算机上运行一个1800亿个参数的模型是可行的。我还讨论了几种有助于减少硬件需求的技术。

在电脑上加载Falcon180B所需的条件

您需要知道的第一件事是，Falcon180B有1800亿个参数，存储形式为bfloat16。一个bfloat16参数在内存中占2个字节。

当你加载一个模型时，标准Pytorch管道是这样工作的:

1. 创建一个空模型：180B个参数* 2字节= 360 GB
2. 在内存中加载其权重：180B个参数* 2字节= 360 GB
3. 在步骤1创建的空模型中加载步骤2加载的权重
4. 将步骤3得到的模型移动到设备上进行推理，例如GPU

步骤1和步骤2消耗内存。总的来说，您需要720 GB的可用内存。这可以是CPU RAM，但为了快速推理，您可能希望使用GPU，例如，9块A100（80GB）VRAM刚好是720GB，但实际上最好是12块A100。

无论是CPU RAM还是VRAM，这都是很大的内存。幸运的是，目前其实有一些方法可以“曲线”完成。

在HuggingFace，Falcon-180B使用安全防护器格式（safetensors format）分发。与标准Pytorch格式相比，这种格式有几个优点。它(几乎)没有复制（注：不需要有一个巨大或等量内存区域来做中间缓存），所以模型直接加载到第1步创建的空模型中。它节省了很多内存。

关于safetensors

safetensors 节省内存，而且它也使模型更安全运行，因为没有任意代码可以存储在这种格式。Safetensors模型的加载速度也快得多。当您从Hugging Face下载模型时，请使用此格式而不是“.bin”格式，以便更快、更安全、更节省内存。

尽管看起来我们跳过了第2步，但仍然会有一些内存开销。TII在Hugging Face的模型介绍上写着400GB的内存可以工作。这仍然很大，但比使用标准Pytorch格式少了220gb。

我们需要一个400 GB的设备，例如，5个A100（80G）的GPU VRAM，但这个结果离“消费级”家用电脑配置还很远。

在多个存储设备上分布式Falcon180B

你可能没有一个400 GB的内存设备，但如果你把以下所有设备的内存组合起来，你的电脑可能有超过400 GB的内存:

• GPU VRAM：如果你有NVIDIA RTX 3090或4090，那已经是24GB了。
• CPU RAM：大多数现代计算机至少有12GB的CPU内存，CPU的扩展也非常便宜。
• 硬盘(或SSD)：SSD一般都可以有几个TB存储空间，而且是可以用SWAP做虚拟内存的。请注意，如果您计划使用SSD（固态硬盘）运行LLM，那么它将比原来的机械硬盘驱动器速度快得多，但是仅仅是高铁比汽车快的意思，和飞机、火箭差距依然很大。

为了利用可用的设备，我们可以拆分Falcon-180B，以便它按照以下优先顺序使用设备的最大可用内存：GPU, CPU RAM和SSD。

这很容易通过Accelerate上的device_map架构来实现。

Device_map将模型的整个层放在您拥有的不同设备上。

device_map架构示意图

如果您想查看device_map使用的一些示例，请参考这篇文章。

Device_map对于解决CUDA内存不足问题来说确实是一种很好的方法，但如果你打算在消费级硬件上使用Falcon180B，那还远远不够理想。即使是拥有24 GB VRAM的GPU（比如RTX 4090）和32 GB CPU RAM的高端配置，它也依然还需要动用几百GB的硬盘空间。

这里有两个原因:

• 硬盘驱动器/SSD总体来说比GPU VRAM、CPU RAM慢得多。从硬盘装载和运行Falcon180B需要很长时间。
• 消费类硬盘和固态硬盘不是为这种密集计算使用设计和测试的。如果模型的许多部分被装载到硬盘驱动器上，系统将不得不在推理期间多次访问和读取模型的大量分割部分。这是长时间的大量读取操作。如果您连续数天进行推理，例如生成一些合成数据集，这可能会损坏您的硬盘，或者至少会显著降低其预期寿命。

为了避免过度使用硬盘，我们最好的方式就是去除硬盘方案，那么剩下来的解决方案实在不多了:

• 增加一个GPU：大多数高端主板可以容纳两个RTX 3090/4090。它会给你48 GB的VRAM。
• 扩展CPU RAM：大多数主板有4个插槽可用于CPU RAM套件。4x128GB CPU内存的套件有出售，但不容易找到，而且仍然很贵。 注意：您的操作系统可以支持的CPU RAM总量也有限制。Windows 10是2tb。如果你使用的是一个老版操作系统，你应该在购买更多的内存之前看看它的文档
• 量化版Falcon180B和扩展CPU RAM。

Falcon180B的量化版是减少内存消耗的最佳方案之一。

使用量化版Falcon180B减少RAM尺寸

现在的常见做法是将非常大的语言模型量化到较低的精度。GPTQ(4)和bitsandbytes nf4(5)是将LLM量化到4位精度的两种常用方法。

Falcon180B在使用bfloat16的情况下，我们看到它的尺寸是360 GB。

一旦量化到NF4精度，它只需要90GB(1800亿个参数* 0.5字节)。我们可以用100GB内存(90GB +一些内存开销)加载NF4的Falcon-180B。

如果你有24 GB的VRAM，你“只”需要75 GB的CPU RAM。这仍然是很多，但比加载原始模型便宜得多，并且在推理期间不会需要和硬盘上的模型层做交换。注意:您仍然需要100 GB的可用硬盘空间来存储模型

你甚至不需要GPU。使用128 GB的CPU RAM，您可以仅使用CPU进行推理。

量化本身是非常昂贵的。值得庆幸的是，我们已经可以在网上找到量化的版本。TheBloke：https://huggingface.co/TheBloke 发布了使用GPTQ制作的4位版本:

• 4-bit Falcon180B：https://huggingface.co/TheBloke/Falcon-180B-GPTQ)

• 4-bit Faclon 180B Chat：https://huggingface.co/TheBloke/Falcon-180B-Chat-GPTQ)

注:也有3位模型可作为模型的“分支”。按照4位型号卡的说明来获取它们

虽然模型的精度降低了，但根据Hugging Face的实验，模型的性能仍然相似（这一点太棒了！！！）。

GPTQ模型的推理速度很快，您可以使用LoRA适配器对它们进行微调，可以在这里查看如何微调使用GPTQ量化的Llama 2(6)。

虽然可以对GPTQ模型进行微调，但我不推荐这样做。使用QLoRA进行微调具有类似的内存消耗，但由于使用nf4进行了更好的量化，因此产生了更好的模型，如QLoRA论文(7)所示。

最后

总而言之，您需要量化版本（4-bit Falcon180B）和100GB内存才能在高配置的家用计算机上运行Falcon-180B。

对于快速推理或微调，你需要使用到GPU。RTX 4090（或RTX 3090 24GB，更实惠，但速度更慢）将足以加载量化模型的1/4。如果你的电脑机箱有足够的空间，你甚至可以放两张RTX卡。

如果你想在一个只有CPU的配置上运行Falcon-180b，也就是说，没有任何GPU，那你只把放弃微调的想法，它会慢到你怀疑人生，嗯，推理也同样会很慢。如果要在纯CPU的机器上运行，那llama.cpp(C++重写的llama)是个不错的选择。我们只能期待Falcon180B也有这样的版本，那在存内存的环境下运行Falcon180B才有可能。

我目前家里电脑的配置是RTX 4090（24GB） + 32GB内存，如果再买一块64GB的内存，好像就可以跑起来了哈哈。64GB的内存大概1400元，虽然有些舍不得，但感觉有点心动。

引用：

1.Falcon-180B模型介绍：https://huggingface.co/tiiuae/falcon-180B

2.RefinedWeb：https://huggingface.co/datasets/tiiuae/falcon-refinedweb

3.OpenLLM排行榜：https://huggingface.co/spaces/HuggingFaceH4/open_llm_leaderboard

4.GPTQ：https://arxiv.org/abs/2210.17323

5.bitsandbytes nf4：https://arxiv.org/abs/2305.14314

6.微调使用GPTQ量化的Llama 2：https://kaitchup.substack.com/p/quantize-and-fine-tune-llms-with?source=post_page-----c3f3fb1611a9--------------------------------

7.QLoRA论文：https://arxiv.org/abs/2305.14314