llama2模型部署方案的简单调研-GPU显存占用(2023年7月25日版)

先说结论

全精度llama2 7B最低显存要求：28GB
全精度llama2 13B最低显存要求：52GB
全精度llama2 70B最低显存要求：280GB

16精度llama2 7B预测最低显存要求：14GB
16精度llama2 13B预测最低显存要求：26GB
16精度llama2 70B预测最低显存要求：140GB

8精度llama2 7B预测最低显存要求：7GB
8精度llama2 13B预测最低显存要求：13GB
8精度llama2 70B预测最低显存要求：70GB

4精度llama2 7B预测最低显存要求：3.5GB
4精度llama2 13B预测最低显存要求：6.5GB
4精度llama2 70B预测最低显存要求：35GB

理论基础

引用用户nielsr的结论

in full precision (float32), every parameter of the model is stored in 32 bits or 4 bytes. Hence 4 bytes / parameter * 7 billion parameters = 28 billion bytes = 28 GB of GPU memory required, for inference only. In half precision, each parameter would be stored in 16 bits, or 2 bytes. Hence you would need 14 GB for inference. There are now also 8 bit and 4 bit algorithms, so with 4 bits (or half a byte) per parameter you would need 3.5 GB of memory for inference.
For training, it depends on the optimizer you use.
In case you use regular AdamW, then you need 8 bytes per parameter (as it not only stores the parameters, but also their gradients and second order gradients). Hence, for a 7B model you would need 8 bytes per parameter * 7 billion parameters = 56 GB of GPU memory. If you use AdaFactor, then you need 4 bytes per parameter, or 28 GB of GPU memory. With the optimizers of bitsandbytes (like 8 bit AdamW), you would need 2 bytes per parameter, or 14 GB of GPU memory.

翻译如下

在全精度（float32）下，模型的每个参数都以 32 位或 4 个字节存储。
因此，4 字节/参数 * 70 亿个参数 = 280 亿字节 = 需要 28 GB GPU 内存，仅用于推理。
在半精度下，每个参数将以 16 位或 2 个字节存储。因此需要 14 GB 来进行推理。
现在还有 8 位和 4 位算法，因此每个参数 4 位（或半个字节）时，将需要 3.5 GB 内存用于推理。
对于训练，这取决于使用的优化器。
如果使用常规 AdamW，则每个参数需要 8 个字节（因为它不仅存储参数，还存储它们的梯度和二阶梯度）。
因此，对于 7B 模型，每个参数需要 8 个字节 * 70 亿个参数 = 56 GB GPU 内存。
如果使用 AdaFactor，则每个参数需要 4 个字节，或 28 GB 的 GPU 内存。
使用位和字节优化器（如 8 位 AdamW），每个参数需要 2 个字节，或 14 GB 的 GPU 内存。

详情见HuggingFace对于单卡GPU推理的介绍：Anatomy of Model’s Memory ，

根据对exllama、Llama-2-70B-chat-GPTQ等模型量化项目用户的反馈与llama2论文的研究，发现显存计算规律符合nielsr的结论。

可选部署方案

1、Llama-2-70B-chat-GPTQ

项目连接：Llama-2-70B-chat-GPTQ
开源协议：Meta AI对于llama2的用户协议
优点：可直接部署运行，可实现上下文记忆
缺点：int4量化，精度下降，目前仅支持70B-chat模型，等待作者后续开放更多型号的轻量化版本。

此项目是对llama2-70B-chat进行了int4量化，显存占用达到了预估水准。

+---------------------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 535.54.03              Driver Version: 535.54.03    CUDA Version: 12.2     |
|-----------------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name                 Persistence-M | Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp   Perf          Pwr:Usage/Cap |         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                                         |                      |               MIG M. |
|=========================================+======================+======================|
|   0  NVIDIA RTX A6000               Off | 00000000:01:00.0  On |                  Off |
| 30%   44C    P8              32W / 300W |    805MiB / 49140MiB |      0%      Default |
|                                         |                      |                  N/A |
+-----------------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  NVIDIA RTX A6000               Off | 00000000:02:00.0 Off |                  Off |
| 44%   76C    P2             298W / 300W |  34485MiB / 49140MiB |    100%      Default |
|                                         |                      |                  N/A |
+-----------------------------------------+----------------------+----------------------+

+---------------------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                            |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                            GPU Memory |
|        ID   ID                                                             Usage      |
|=======================================================================================|
|    0   N/A  N/A      1262      G   /usr/lib/xorg/Xorg                          110MiB |
|    0   N/A  N/A      1880      G   /usr/lib/xorg/Xorg                          430MiB |
|    0   N/A  N/A      2009      G   /usr/bin/gnome-shell                         86MiB |
|    0   N/A  N/A      4149      G   ...8417883,14948046860862319246,262144      151MiB |
|    1   N/A  N/A      1262      G   /usr/lib/xorg/Xorg                            4MiB |
|    1   N/A  N/A      1880      G   /usr/lib/xorg/Xorg                            4MiB |
|    1   N/A  N/A     44687      C   python                                    34460MiB |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

上图为一位此项目用户使用RTX A6000显卡进行70B-chat的int4量化模型部署，A6000的50GB显存可以支持对此模型的正常运行与上下文记忆功能。
由于使用了int4级别的量化，精度下降将是所有方案中最大的，不过据项目开发者描述，70B-chat本身的能力将弥补此损失。

2、GGML

项目连接：GGML GitHub
官网链接：GGML
优点：针对Apple芯片单独优化，支持13B、7B等型号模型，支持int4、int8的量化
缺点：终端运行，需要搭配webUI。
开源协议：MIT协议，可商用。

比较流行的量化方案，之前的llama.cpp项目就是由GGML实现，如今GGML项目比较像一个专注于大型模型轻量化的社区，旧版本的llama.cpp框架目前可以直接支持llama2的模型轻量化。

上图为在在 M2 Max芯片上以7B LLaMA，其运行速度达到了很快的40token/s，这对于纯CPU推理的大型语言模型来说可以说是很惊人的速度。GGML框架对Apple M系列芯片做了专门的优化，相较于其他纯CPU平台，GGML的轻量化方案更适合Apple M系列芯片服务器。

上图为在单个M1 Pro上同时运行4个13B LLaMA + Whisper Small 实例，先不提同时运行4个13B的llama模型的场景，单是基于GGML的这两个轻量模型可以在一台M1 Pro上实现基础的和AI进行语音对话的场景。

更多相关的测试结果
Whisper 小型编码器，M1 Pro，7 个 CPU 线程：600 毫秒/运行
Whisper 小型编码器、M1 Pro、ANE（通过 Core ML）：200 毫秒/运行
7B LLaMA、4 位量化、3.5 GB、M1 Pro、8 个 CPU 线程：43 毫秒/令牌
13B LLaMA、4 位量化、6.8 GB、M1 Pro、8 个 CPU 线程：73 毫秒/令牌
7B LLaMA、4 位量化、3.5 GB、M2 最大 GPU：25 毫秒/令牌
13B LLaMA，4 位量化，6.8 GB，M2 最大 GPU：42 毫秒/令牌

3、exllama

项目连接：exllama
开源协议：MIT协议，可商用。
优点：支持python模块，拓展性强，可在4090等消费级显卡上部署，支持docker部署，有简易的webUI，支持多卡推理。
缺点：项目并未完全开发完成(截止2023年7月)，llama2目前支持70B的模型，预测为int4量化。

exllama类似于一个推理工具，可以推理各种主流轻量化大语言模型，支持Python/C++/CUDA，拓展性高，并且自带一个简易的webUI。支持的模型列表

上图为 RTX 4090 / 12900K中的性能消耗结果。

上图为在4090+3090ti双卡交火的情况下性能消耗结果

4、text-Generation-webui

项目地址：text-generation-webui
优点：类似于stable-diffusion-webui 的优质大型语言模型推理工具，自带量化功能，有很多参数可以调整，自带模型下载器，支持角色扮演，角色人设编写等非常方便的功能，是目前最好的本地推理webUI。
缺点：仅作为推理工具存在，使用推理时参数实现量化，效果不如对模型本身进行操作。
开源协议：GNU Affero General Public License v3.0，可以商用。

附录

上图为llama标准学术基准评估结果

上图为llama2真实性评估评估标准