「乘法变加法」！MIT清华校友全新方法优化Transformer：Addition is All You Need

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前言 Transformer计算，竟然直接优化到乘法运算了。MIT两位华人学者近期发表的一篇论文提出：Addition is All You Need，让LLM的能耗最高降低95%。
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来源：新智元

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LLM能耗的疯狂增长，甚至已经引起了联合国的注意，成为了不容小觑的能源消耗者。

据统计，2023年初ChatGPT服务的平均用电量为每天564兆瓦时，相当于18000个美国家庭每天的总用电量。

谷歌的情况更加严峻。最坏的情况下，谷歌AI服务消耗的电力可能和一整个爱尔兰相当，约为每年29.3 TWh。

要在提升推理速度的同时降低大模型的能耗，减少神经网络所需的计算量才是关键。

而LLM等大规模神经网络，大部分计算量正是消耗在浮点级精度的矩阵乘法上。

从线性注意力机制到量化，大多数Transformer的优化都离不开对于乘法效率的大幅提高。要么减少运算操作次数，要么减少操作数的位数。

但如果从乘法运算这个更加底层的逻辑出发，两位华人研究者提出，可以用一个整数加法器以高精度近似进行浮点数乘法运算，即L-Mul乘法算法。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2410.00907

相比量化过程中的FP8乘法，L-Mul能达到更高的精度，而且运算量显著减少。

实验结果显示，在张量处理硬件中应用L-Mul操作能将逐元素浮点张量乘法的能量成本降低95%，点积的能量成本降低80%。

此外，L-Mul可以直接集成到各个级别的现有模型中，无需额外训练，甚至能无损替换注意力机制中所有的矩阵、元素级别的浮点数乘法。

整体而言，L-Mul方法专注于提高对张量进行算术运算的效率——这与当前在I/O和控制优化方面的研究是相互独立但又相辅相成的。

由此作者认为，真正高能效、高计算效率的人工智能计算将从I/O、控制流，和算术运算的全面优化整合中产生。

论文简介

大多数机器学习模型，包括神经网络，都使用浮点张量来表示它们的输入、输出和可训练参数。

其中，典型的选择是32位和16位浮点张量，即fp32和fp16。

在现代计算硬件中，浮点数之间的乘法比加法运算消耗更多的能量，浮点数运算也显然比整数更加昂贵。

用n代表数字位数，那么整数加法的计算复杂度仅有O(n)；而对于指数部分有e位、尾数部分有m位的浮点数，乘法运算则需要O(e)复杂度的加法加上O(m^2)复杂度的乘法。

如表1所示，元素级别的运算上，fp32乘法和int32加法已经差距悬殊，能量高出37倍；如果是张量级别的运算，那更是相差甚远。

比如下面两种常用的运算：逐元素乘法Y_1和点积Y_2。

计算Y_1时，如果A和X都是fp32张量，相比int32矩阵的加法所消耗的能量也会高出37倍。

同样，计算Y_2时涉及m×n×k次的浮点乘法和加法，两个数字的每次乘加运算都会消耗0.9+3.7=4.6（pJ）能量。

如果替换为int32，那么每次运算的能量成本就变为0.1+0.9=1.0 pJ，仅为原始成本的21.7%。

类似地，如果原始精度为fp16，替换为int16后也能达到1−(0.05+0.4)/(1.1+0.4)=70%的效率提升。

线性复杂度乘法（L-MUL）

那么，对于n位的浮点数，到底要如何用整数加法近似计算浮点数乘法，实现O(n)复杂度？

考虑两个浮点数x和y，它们的指数和小数部分的位数分别为x_e、y_e和x_m、y_m。

传统的浮点乘法可以表示为：

再加上一个异或操作（⊕）来决定结果的符号为正或为负。

其中，尾数部分的乘法操作是提升效率的瓶颈，复杂度为O(m^2)。

L-Mul所做的，就是移除这个操作，引入了一种新的乘法算法，以O(m)的计算复杂度处理尾数：

对比上面的公式可以发现，我们仅仅是将x_m · y_m替换为2^{-l⁢(m)}，其中l(m)是一个简单的分段函数。

虽然等式(1)包含4个加法操作，但浮点数的位格式设计能帮助我们用一个加法器实现L-Mul算法。

浮点格式隐式处理1+x_m，所以不必计算(1+...)的值；整数加法操作还会自动将尾数进位发送到指数，这与传统浮点乘法器中的舍入过程不同。

在传统方法中，小数部分需要手动舍入为1.x，并且向指数部分添加进位需要作为独立步骤进行；而根据L-Mul中的分段函数l(m)，如果尾数和大于2，进位会自动添加到指数。

因此，通过跳过尾数乘法和舍入操作，L-Mul算法比传统浮点乘法更高效。

算法的具体实现过程如图2所示，最佳实现是在硬件级别，因此作者添加了在英伟达GPU上模拟该过程的内联PTX汇编代码。

常规浮点乘法和L-Mul算法的复杂度比较；在汇编代码中，$1和$2是存储输入的fp32寄存器，$0是用于输出的fp32寄存器。s1、s2、r0、r1、r2是存储中间结果的无符号int32寄存器

L-Mul结果的构造可以用以下等式表示，其中所有位级计算都作为无符号整数之间的操作执行：

在此基础上，作者进一步用L-Mul实现了注意力机制。

在Transformer模型中，注意力机制由于其处理输入上下文C的O(|C|^2)复杂度而具有高计算成本。

但如果使用L-Mul，无需额外训练，就可以用最小的性能损失替代复杂的张量乘法，实现更高效的注意力机制，如下所示：

其中L-matmul(Q, K^T)表示矩阵乘法操作，其中所有常规浮点乘法都被替换为整数加法，用L-Mul实现，显著降低了计算资源消耗。

精度和成本分析

精度分析的目标是确定L-Mul近似计算的精度，相当于将浮点数的小数部分舍入到多少位，并和具有2位或3位尾数的fp8（e5m2或e4m3）进行比较。

考虑正浮点数x、y，并明确舍入后要保留的k位，可以写成以下格式：

其中x_k、y_k是x_m、y_m的前k位，x_r、y_r是k位舍入后将被忽略的剩余位的值。x′、y′是保留尾数前k位并进行舍入后的数值。

考虑x和y在全精度下有m位尾数。例如，FP16有10位尾数，BF16包含7位。

乘法运算Mul(x, y) = x · y的误差及其期望值可以表示为：

与k位尾数的浮点乘法相比，k位尾数L-Mul的误差为：

利用上述方程，可以计算k位L-Mul和浮点乘法之间精度差的期望值，具体来说：

当x_m、y_m呈均匀分布时，可以计算以下期望：

通过估计f1⁢(m,k)和f2⁢(k)并进一步推断E⁢[e^k_{l⁢m⁢u⁢}k] 和 E⁢[e^k_{m⁢u⁢l}]可以得知，如果是在操作数均匀分布的情况下，L-Mul比fp8_e5m2更精确；然而，预训练LLM的权重分布通常是存在偏差的。

这种近似计算究竟能否适用于当前的LLM，还需要实验结果来证明。

基于五个流行大语言模型的组合权重分布，实验结果发现，在实践中，L-Mul可以在使用5位尾数的情况下实现超越fp8_e4m3的更高准确度。

此外，结合门运算的复杂度估算可以进一步证实，L-Mul比fp8乘法更加高效且准确。这一结果突显了L-Mul在低精度计算中的潜在优势。

关于精度和成本分析的更详细理论推导可见于论文2.3节以及附录A。

LLM实验结果

要证明L-Mul的实际应用价值，就需要在LLM的实际任务上运行。

精度分析

论文选择了各种基于Transformer的语言模型，包括Llama 3.1、Mistral、Gemma 2等，并在各种语言和视觉任务基准上评估了L-Mul算法的数值精度。

对比全精度模型权重的运行结果，可以证明，对基于Transformer的LLM而言，在注意力机制中用L-Mul替换标准乘法运算可以达到几乎无损的近似效果，可以在微调或免训练设置下替换Transformer层中的不同模块。

图3展示了选择不同k值和l(k)值的均方误差（mean square errors）结果，实验包含Llama 3.1和Gemma 2的两个小模型，在GSM8k数据集上运行。

在两个模型中，使用3位尾数的L-Mul比fp8_e5m2更精确，而使用4位尾数的L-Mul可以达到或近似于fp8_e4m3的误差水平。

红色表示平均误差低于fp8_e4m3，下划线表示误差介于e4m3和e5m2之间

以上两个模型的平均误差如图4所示。

前面的理论推导显示，L-Mul在使用的计算资源少于fp8_e5m2时，期望误差可以低于fp8_e4m3，此处的实验结果正式了前面理论估计的正确性。

实验表明，在各种规模的LLM中，使用6位尾数FP操作数的L-Mul算法近似达到最低平均误差，显著优于e5m2、e4m3两种fp8格式。

此外，3位和4位尾数的L-Mul分别达到或超过了fp8_e5m2和fp8_e4m3的精度。

L-Mul与不同格式fp8浮点是进行乘法运算的误差水平比较

基准测试

本节的实验旨在证明，L-Mul可以在不损失性能的情况下替代注意力机制中的张量乘法，而使用fp8乘法则会降低推理精度。

这就意味着，L-Mul可以在降低注意力计算能耗80%的同时达到相同的推理性能。

对于文本任务，表2展示了Llama和Mistral模型在各种自然语言基准测试上的评估结果，包括MMLU、BBH、ARC-C等。

结果表明，L-Mul不仅显著减少了计算资源，而且在绝大多数测试中（12/14）的得分高于fp8_e4m3。

与bf16推理相比，性能差距被降低到最低水平。在两个模型中，bf16和L-Mul之间在常识、结构化推理和语言理解方面的平均性能差异仅为0.07%。

值得注意的是，对于Mistral和Gemma2两个模型，基于L-Mul的注意力机制与bf16基准相比略微提高了平均性能，分别达到52.92%和47.01%。

Llama3.1使用L-Mul时，准确率略低于bf16，但仍高于fp8_e4m3和fp8_e5m2。

相反，将注意力计算中的张量四舍五入到fp8_e5m2会导致显著的性能下降，尽管e5m2比L-Mul更复杂。

3个语言模型在GSM8k数据集上使用少样本提示的运行结果，包括L-Mul方法和3种精度bf16、fp8_e4m3、fp8_e5m2的对比

视觉-语言任务主要用Llava模型进行了测试，结果如表4所示。

除了在TextVQA基准上的准确率差距略大，达到了0.5%，在POPE、VQAv2、Llava-Bench、VizWiz等其他基准上，L-Mul达到了和bf16相似甚至更好的性能。

此外，误差估计和消融实验（表5）可以进一步表明，在无需额外训练的设置下，4位尾数的L-Mul可以达到与fp8_e4m3相当的准确性，而3位尾数的L-Mul优于fp8_e5m2乘法。

微调

以上的实验结果，是直接将预训练LLM从标准注意力适配到新的基于L-Mul的注意力机制运行的，没有进行额外训练。

进一步的研究还表明，微调可以弥补L-Mul和标准乘法之间的性能差距。

本节的实验中，不仅在Gemma2的注意力机制层中实现L-Mul，而且对于模型中所有乘法运算——包括线性变换中的矩阵乘法、元素级乘法以及注意力机制层内的乘法，都使用L-Mul和fp8_e4m3进行近似，之后在GSM8k数据集上对更新后的模型进行微调。

将注意力机制、线性变换和逐元素乘积中的所有乘法运算替换为3位尾数L-Mul的模型进行微调，其性能可与使用fp8_e4m3累积精度的标准模型微调相媲美。

值得注意的是，本实验中的L-Mul操作使用3位尾数（k=3），累加精度为fp8_e4m3，以探索极其高效的设置。

结果可以看出，在fp8精度下，微调后的fp8_e4m3 L-Mul模型达到了与标准微调fp8_e4m3模型相当的性能。

这表明，L-Mul可以在不影响微调模型性能的情况下提高训练效率。此外，也揭示了训练L-Mul原生LLM的潜质，用于更加精确、节能的模型托管。

微调后fp8和L-Mul模型在零样本设置下的评估

作者介绍

Hongyin Luo

Hongyin Luo是MIT计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究科学家，在Jim Glass博士领导的口语语言系统（SLS）小组工作。

他于2016年在清华大学获得学士学位，导师是NLP领域的大牛级人物：刘知远和孙茂松。

随后于2022年在MIT EECS获得博士学位，专注自然语言处理中的自训练研究。

他的研究重点是提高语言模型的效率、透明性和推理能力。最新研究结合了自然语言与不同的形式推理引擎，包括蕴涵模型（entailment model）和程序解释器。

他构建了小型语言模型，以1/500的计算量表现优于GPT3-175B，开发了处理搜索引擎噪声的自我去噪语言模型，以及无需任务特定示例即可实现准确推理的自然语言嵌入程序。

参考资料：

https://arxiv.org/abs/2410.00907

https://luohongyin.github.io/

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