📉 大模型量化 (Quantization) 全维度解析：从哲学到算力

量化不仅是一种“压缩技术”，更是一场关于计算效率与信息精度的深刻博弈。其核心思想是：用更粗糙但更高效的数值系统，去模拟复杂的智能行为。

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一、 量化的数学哲学：映射与格点化

量化的本质是将神经网络中连续的浮点数（Floating Point）映射到离散的整数（Integer）空间。

• 公式核心： $Q = \text{clamp}\left(\text{round}\left(\frac{R}{S} + Z\right); Q_{min}, Q_{max}\right)$ $R_{approx} = (Q - Z) \times S$
  • $R$ (Real)：原始浮点值。
  • $Q$ (Quantized)：量化后的整数。
  • $S$ (Scale)：缩放因子（步长）。
  • $Z$ (Zero-point)：零点偏移，确保浮点 0 对应整数格点。

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二、 关键参数 $S$ 与 $Z$ 是如何获得的？

获取这两个参数的过程被称为 校准 (Calibration)，它是量化精度的“生死线”。

1. 寻找数值范围 (Dynamic Range)

要算 $S$ 和 $Z$，首先要确定原始数据的最小值 ($\alpha$) 和最大值 ($\beta$)：

• 权重校准：权重是静态的，直接遍历该层矩阵即可获得。
• 激活值校准：激活值随输入变化，需准备 128~512 条真实数据（校准集）跑一遍模型，记录各层输出的分布。

2. 确定阈值的策略

• Min-Max (全域法)：直接取 $[\text{min}, \text{max}]$。虽然保留了所有信息，但极易受“离群值”（Outliers）干扰，导致中间大部分数值分辨率极低。
• Entropy / KL 散度法：寻找一个截断阈值，使得量化前后的信息熵丢失最小（忽略极个别偏离巨大的噪点）。
• Percentile (分位数法)：忽略最极端的 0.1% 的点，取 99.9% 处的值作为边界。

3. 参数计算

一旦确定了 $[\alpha, \beta]$，即可根据量化位数（如 $INT8$ 的范围是 $[-128, 127]$）计算：

• $S = \frac{\beta - \alpha}{Q_{max} - Q_{min}}$
• $Z = \text{round}(Q_{min} - \frac{\alpha}{S})$

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三、 计算过程：整数域的降维打击

真相纠正：量化推理不是“还原成浮点数再算”，而是在整数域直接战斗。

1. 带宽红利 (Bandwidth)： 从显存搬运 $INT4$ 数据比 $FP16$ 快 4 倍，极大缓解了“内存墙”问题。
2. 算力红利 (Integer Arithmetic)：
   • 直接对战：显卡 Tensor Core 直接执行 $INT4 \times INT4$ 运算。
   • 底层优势：整数运算单元电路简单，单周期内的吞吐量远高于浮点单元。
3. 反量化时机：
   • 大规模的乘加运算都在整数域（累加器）中完成。
   • 延迟还原：只有在这一层计算彻底结束、准备进入下一层前，才进行一次反量化乘法 $R = (Q - Z) \times S$。

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四、 进阶：如何让参数更准？(GPTQ & AWQ)

普通的线性映射对智商损耗较大，进阶算法引入了补偿机制：

• GPTQ (误差补偿)：量化某权重产生误差时，微调该层其他尚未量化的权重，利用“二阶导数（海森矩阵）”信息抵消误差。
• AWQ (重要通道保护)：发现激活值中 $1\%$ 的核心通道决定了精度，通过先对这些核心权重进行“预缩放”，让它们在量化后的格点中位置更优。

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五、 总结：量化的三重收益

收益维度	物理体现	结果
存储收益	16-bit $\to$ 4-bit	体积缩小 75%，廉价显卡跑大模型。
带宽收益	显存读取速度翻倍	解决生成卡顿，提升 Token/s 吞吐。
算力收益	整数单元替代浮点单元	提高计算效率，支持更高并发。

一句话总结：量化是用局部的精度舍入（Rounding Error），换取全局计算效率的指数级飞跃。