Что такое quantization и как она влияет на inference latency/accuracy?

Quantization в PyTorch

Квантизация заменяет числа с плавающей точкой (fp32/fp16) на целочисленные представления (int8, int4, int2). Это уменьшает размер модели в 2–8 раз, снижает потребление памяти и ускоряет вычисления за счёт оптимизированных SIMD/VNNI/Tensor Core инструкций.

Три подхода

• PTQ (Post-Training Quantization) — квантизация уже обученной модели; быстро, но accuracy может пострадать на выбросах.
• QAT (Quantization-Aware Training) — fake quantization во время обучения; точнее, но требует дообучения.
• Dynamic Quantization — веса квантизируются статически, активации — на лету; минимальные усилия.

Dynamic Quantization (быстрый старт)

import torch
from torch.quantization import quantize_dynamic

model = MyLSTMModel()
model.load_state_dict(torch.load("model.pt"))
model.eval()

quantized = quantize_dynamic(
    model,
    qconfig_spec={torch.nn.Linear, torch.nn.LSTM},
    dtype=torch.qint8,
)

# Сравнение размера
import os
torch.save(model.state_dict(), "/tmp/fp32.pt")
torch.save(quantized.state_dict(), "/tmp/int8.pt")
print(f"FP32: {os.path.getsize('/tmp/fp32.pt') / 1e6:.1f} MB")
print(f"INT8: {os.path.getsize('/tmp/int8.pt') / 1e6:.1f} MB")

Static PTQ с калибровкой

from torch.quantization import prepare, convert, get_default_qconfig

model.eval()
model.qconfig = get_default_qconfig("fbgemm")  # x86; "qnnpack" для ARM

prepare(model, inplace=True)  # вставляет наблюдателей

# Калибровка на репрезентативном датасете
with torch.no_grad():
    for batch in calib_loader:
        model(batch)

convert(model, inplace=True)  # заменяет операции на int8

Влияние на latency и accuracy

• INT8 linear на CPU (x86 с VNNI): ускорение 2–4× по сравнению с fp32.
• INT4 weight-only на GPU (bitsandbytes): экономия VRAM 4×, latency улучшается при memory-bound inference.
• PTQ accuracy drop: обычно <0.5% top-1 для классификаторов; трансформеры с выбросами активаций (LLaMA) могут терять 2–5% без специальных методов (AWQ, GPTQ).
• QAT восстанавливает практически всю accuracy, но требует 10–20% эпох дообучения.

Современные форматы для LLM

# bitsandbytes — 4-bit NF4
from transformers import BitsAndBytesConfig, AutoModelForCausalLM

bnb_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,
    bnb_4bit_quant_type="nf4",
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.bfloat16,
)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    "meta-llama/Llama-2-7b-hf",
    quantization_config=bnb_config,
    device_map="auto",
)

Подводные камни

• PTQ на моделях с выбросами активаций (BERT, LLaMA) даёт сильную деградацию без специальной обработки: нужны SmoothQuant или AWQ.
• fbgemm backend работает только на x86 с AVX2+; на ARM и мобильных устройствах нужен qnnpack.
• Квантизированные модели нельзя напрямую экспортировать в ONNX стандартными средствами — требуется torch.onnx.export с opset_version>=13.
• GPU INT8 (через torch.ao.quantization) поддерживается хуже, чем CPU; на CUDA эффективнее использовать TensorRT или bitsandbytes.
• Калибровочный датасет должен покрывать весь диапазон входов; на плохой калибровке наблюдатель установит неверные масштабы и точность упадёт.
• QAT несовместим с torch.compile из-за fake-quantization операторов — нужно компилировать уже сконвертированную модель.
• Не все слои квантизируются эффективно: первый и последний слои часто оставляют в fp32 для сохранения точности.

• Отвечать определением без production-сценария.
• Не называть runtime boundary, security boundary или failure mode.
• Игнорировать версию API, observability и тестовую проверку.

• Объясняет механизм своими словами и без выдуманных API.
• Называет реальные риски, диагностику и критерий корректности.
• Связывает ответ с текущей документацией и миграционными ограничениями.