一、LMDeploy量化介绍

1.LMDeploy部署模型的优势

LMDeploy实现了高效的推理、可靠的量化、卓越的兼容性、便捷的服务以及有状态的推理。

相比于vllm具有领先的推理性能：

LMDeploy也提供了大模型量化能力：主要包括KV Cache量化和模型权重量化。

LMDeploy量化方案如下：

准确说，模型量化是一种优化技术，旨在减少机器学习模型的大小并提高其推理速度。量化通过将模型的权重和激活从高精度（如16位浮点数）转换为低精度（如8位整数、4位整数、甚至二值网络）来实现。

那么W4A16又是什么意思呢？

• W4：这通常表示权重量化为4位整数（int4）。这意味着模型中的权重参数将从它们原始的浮点表示（例如FP32、BF16或FP16，Internlm2.5精度为BF16）转换为4位的整数表示。这样做可以显著减少模型的大小。
• A16：这表示激活（或输入/输出）仍然保持在16位浮点数（例如FP16或BF16）。激活是在神经网络中传播的数据，通常在每层运算之后产生。

因此，W4A16的量化配置意味着：

• 权重被量化为4位整数。
• 激活保持为16位浮点数。

二、LMDeploy量化实践

我们要运行参数量为7B的InternLM2.5，由InternLM2.5的码仓查询InternLM2.5-7b-chat的config.json文件可知，该模型的权重被存储为bfloat16格式

对于一个7B（70亿）参数的模型，每个参数使用16位浮点数（等于 2个 Byte）表示，则模型的权重大小约为：

70×10^9 parameters×2 Bytes/parameter=14GB

70亿个参数×每个参数占用2个字节=14GB

所以我们需要大于14GB的显存来部署原始的7B模型。

使用下面的命令来部署InternLM2.5 7B模型：

lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat

如上图所示，lmdeploy默认设置cache-max-entry-count为0.8，即kv cache占用剩余显存的80%；此时对于24GB的显卡，即30%A100，权重占用14GB显存，剩余显存24-14=10GB，因此kv cache占用10GB*0.8=8GB，加上原来的权重14GB，总共占用14+8=22GB。实际加载模型后，其他项也会占用部分显存，因此剩余显存比理论偏低，实际占用会略高于22GB。

2.1  KV Cache量化

随着模型变得越来越大，我们需要一些大模型压缩技术来降低模型部署的成本，并提升模型的推理性能。LMDeploy 提供了权重量化和 k/v cache两种策略。

2.2.1 设置最大kv cache缓存大小

试一试执行以下命令，再来观看占用显存情况。

lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat --cache-max-entry-count 0.4

可以看到，显存占用少了4G

直接启动模型的显存占用情况(23GB)：

1、在 BF16 精度下，7B模型权重占用14GB：70×10^9 parameters×2 Bytes/parameter=14GB

2、kv cache占用8GB：剩余显存24-14=10GB，kv cache默认占用80%，即10*0.8=8GB

3、其他项1GB

因此，23GB=权重占用14GB+kv cache占用8GB+其它项1GB

对于修改kv cache占用之后的显存占用情况(19GB)：

1、与上述声明一致，在 BF16 精度下，7B模型权重占用14GB

2、kv cache占用4GB：剩余显存24-14=10GB，kv cache修改为占用40%，即10*0.4=4GB

3、其他项1GB

是故19GB=权重占用14GB+kv cache占用4GB+其它项1GB

而此刻减少的4GB显存占用就是从10GB*0.8-10GB*0.4=4GB，这里计算得来。

2.2.2 设置在线 kv cache int4/int8 量化

自 v0.4.0 起，LMDeploy 支持在线 kv cache int4/int8 量化，量化方式为 per-head per-token 的非对称量化。此外，通过 LMDeploy 应用 kv 量化非常简单，只需要设定 quant_policy 和cache-max-entry-count参数。目前，LMDeploy 规定 qant_policy=4 表示 kv int4 量化，quant_policy=8 表示 kv int8 量化。

输入以下指令，启动API量化：

lmdeploy serve api_server \/root/models/internlm2_5-7b-chat \--model-format hf \--quant-policy 4 \--cache-max-entry-count 0.4\--server-name 0.0.0.0 \--server-port 23333 \--tp 1

可以看到此时显存占用约19GB，相较于直接启动模型的显存占用情况(23GB)减少了4GB的占用。此时4GB显存的减少逻辑与2.2.1 设置最大kv cache缓存大小中4GB显存的减少一致，均因设置kv cache占用参数cache-max-entry-count至0.4而减少了4GB显存占用。

2.2 W4A16 模型量化和部署

LMDeploy使用的是AWQ算法，能够实现模型的4bit权重量化。输入以下指令，执行量化工作。(本步骤耗时较长，请耐心等待)

lmdeploy lite auto_awq \/root/models/internlm2_5-7b-chat \--calib-dataset 'ptb' \--calib-samples 128 \--calib-seqlen 2048 \--w-bits 4 \--w-group-size 128 \--batch-size 1 \--search-scale False \--work-dir /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit

命令解释：

1. lmdeploy lite auto_awq: lite这是LMDeploy的命令，用于启动量化过程，而auto_awq代表自动权重量化（auto-weight-quantization）。
2. /root/models/internlm2_5-7b-chat: 模型文件的路径。
3. --calib-dataset 'ptb': 这个参数指定了一个校准数据集，这里使用的是’ptb’（Penn Treebank，一个常用的语言模型数据集）。
4. --calib-samples 128: 这指定了用于校准的样本数量—128个样本
5. --calib-seqlen 2048: 这指定了校准过程中使用的序列长度—1024
6. --w-bits 4: 这表示权重（weights）的位数将被量化为4位。
7. --work-dir /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit: 这是工作目录的路径，用于存储量化后的模型和中间结果。

等待推理完成，便可以直接在你设置的目标文件夹看到对应的模型文件。

推理后的模型和原本的模型区别最明显的两点是模型文件大小以及占据显存大小。

我们可以输入如下指令查看在当前目录中显示所有子目录的大小。l

cd /root/models/
du -sh *

量化后的模型大小为4.9G。(其余文件夹都是以软链接的形式存在的，不占用空间，故显示为0)

输入以下指令查看原模型大小为15G.

cd /root/share/new_models/Shanghai_AI_Laboratory/
du -sh *

一经对比即可发觉，15G对4.9G，优势在我。

那么显存占用情况对比呢？输入以下指令启动量化后的模型。

lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit/ --model-format awq

可以发现，相比较于原先的23GB显存占用，W4A16量化后的模型少了约2GB的显存占用。

让我们计算一下2GB显存的减少缘何而来。

对于W4A16量化之后的显存占用情况(20.9GB)：

1、在 int4 精度下，7B模型权重占用3.5GB：14/4=3.5GB

注释：

• bfloat16是16位的浮点数格式，占用2字节（16位）的存储空间。int4是4位的整数格式，占用0.5字节（4位）的存储空间。因此，从bfloat16到int4的转换理论上可以将模型权重的大小减少到原来的1/4，即7B个int4参数仅占用3.5GB的显存。

2、kv cache占用16.4GB：剩余显存24-3.5=20.5GB，kv cache默认占用80%，即20.5*0.8=16.4GB

3、其他项1GB

因此20.9GB=权重占用3.5GB+kv cache占用16.4GB+其它项1GB

2.3 W4A16 量化+ KV cache+KV cache 量化

输入以下指令，让我们同时启用量化后的模型、设定kv cache占用和kv cache int4量化。

lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit/ \
    --model-format awq \
    --quant-policy 4 \
    --cache-max-entry-count 0.4\
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

此时显存占用13.5GB。

让我们来计算一下此刻的显存占用情况(13.5GB):
1、在 int4 精度下，7B模型权重占用3.5GB：14GB/4=3.5GB
2、kv cache占用8.2GB：剩余显存24-3.5=20.5GB，kv cache占用40%，即20.5*0.4=8.2GB
3、其他项1.8GB
因此，13.5GB=权重占用3.5GB+kv cache占用8.2GB+其它项1.8GB

三、Function Calling

关于Function call，即函数调用功能，它允许开发者在调用模型时，详细说明函数的作用，并使模型能够智能地根据用户的提问来输入参数并执行函数。完成调用后，模型会将函数的输出结果作为回答用户问题的依据。

3.1 启动api服务

lmdeploy serve api_server \
    /root/models/Shanghai_AI_Laboratory/internlm2_5-7b-chat \
    --model-format hf \
    --quant-policy 0 \
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

3.2 编写function calling代码

新建internlm2_5_func.py

touch /root/internlm2_5_func.py

from openai import OpenAIdef add(a: int, b: int):return a + bdef mul(a: int, b: int):return a * btools = [{'type': 'function','function': {'name': 'add','description': 'Compute the sum of two numbers','parameters': {'type': 'object','properties': {'a': {'type': 'int','description': 'A number',},'b': {'type': 'int','description': 'A number',},},'required': ['a', 'b'],},}
}, {'type': 'function','function': {'name': 'mul','description': 'Calculate the product of two numbers','parameters': {'type': 'object','properties': {'a': {'type': 'int','description': 'A number',},'b': {'type': 'int','description': 'A number',},},'required': ['a', 'b'],},}
}]
messages = [{'role': 'user', 'content': 'Compute (3+5)*2 Compute (3+5)*2 by calling functions'}]client = OpenAI(api_key='YOUR_API_KEY', base_url='http://0.0.0.0:23333/v1')
model_name = client.models.list().data[0].id
response = client.chat.completions.create(model=model_name,messages=messages,temperature=0.8,top_p=0.8,stream=False,tools=tools)
print(response)
func1_name = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.name
func1_args = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.arguments
func1_out = eval(f'{func1_name}(**{func1_args})')
print(func1_out)messages.append({'role': 'assistant','content': response.choices[0].message.content
})
messages.append({'role': 'environment','content': f'3+5={func1_out}','name': 'plugin'
})
response = client.chat.completions.create(model=model_name,messages=messages,temperature=0.8,top_p=0.8,stream=False,tools=tools)
print(response)
func2_name = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.name
func2_args = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.arguments
func2_out = eval(f'{func2_name}(**{func2_args})')
print(func2_out)

为了让大语言模型调用function，提示词为：

messages = [{'role': 'user', 'content': 'Compute (3+5)*2 Compute (3+5)*2 by calling functions'}]

执行上面的程序：

python /root/internlm2_5_func.py

终端输出如下：

我们可以看出InternLM2.5将输入'Compute (3+5)*2'根据提供的function拆分成了"加"和"乘"两步，第一步调用function add实现加，再于第二步调用function mul实现乘，再最终输出结果16.