PaddleNLP 模型压缩 API

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模型压缩 API 功能简介

PaddleNLP 模型压缩 API 功能支持对 ERNIE 类下游任务上微调后的模型进行裁剪、量化,以缩小模型体积、减少内存占用、减少计算、提升推理速度从而减少部署难度。模型压缩 API 效果好,且简洁易用。目前裁剪功能现在支持 DynaBERT 中的宽度自适应裁剪策略;量化现在支持静态离线量化方法(PTQ)、量化训练(QAT)和 Embedding 量化。PTQ 无需训练,只需少量校准数据,即可导出量化模型,QAT 类似 FP32 模型的训练过程,也基本能够做到精度无损,Embedding 量化过程较为简单,不需要训练也不需要校准数据即可完成。

  • 效果好:目前已经在分类(包含文本分类、文本匹配、自然语言推理、代词消歧、阅读理解等任务)、序列标注、抽取式阅读理解任务上进行过验证,基本达到精度无损。例如,对于 12L768H 和 6L768H 结构的模型,进行宽度保留比例为 2/3 的裁剪基本可以达到精度无损,模型裁剪后推理速度能够达到原先的 1-2 倍;6L768H 结构的模型量化后推理速度能够达到量化前的 2-3 倍。

  • 简洁易用:只需要简单几步即可开展模型压缩任务

ERNIE 3.0 压缩效果

如下表所示,ERNIE 3.0-Medium (6-layer, 384-hidden, 12-heads) 模型在三类任务(文本分类、序列标注、抽取式阅读理解)经过裁剪 + 量化后加速比均达到 3 倍左右,所有任务上平均精度损失可控制在 0.5 以内(0.46)。

TNEWS 性能 TNEWS 精度 MSRA_NER 性能 MSRA_NER 精度 CMRC2018 性能 CMRC2018 精度
ERNIE 3.0-Medium+FP32 1123.85(1.0x) 57.45 366.75(1.0x) 93.04 146.84(1.0x) 66.95
ERNIE 3.0-Medium+INT8 3226.26(2.9x) 56.99(-0.46) 889.33(2.4x) 92.70(-0.34) 348.84(2.4x) 66.32(-0.63
ERNIE 3.0-Medium+裁剪+FP32 1424.01(1.3x) 57.31(-0.14) 454.27(1.2x) 93.27(+0.23) 183.77(1.3x) 65.92(-1.03)
ERNIE 3.0-Medium+裁剪+INT8 3635.48(3.2x) 57.26(-0.19) 1105.26(3.0x) 93.20(+0.16) 444.27(3.0x) 66.17(-0.78)

(以上数据来自 ERNIE 3.0 性能测试文档,文档包含测试环境介绍)

UIE 压缩效果

以报销工单信息抽取任务为例,使用 uie-base 进行微调,先得到原始 FP32 模型,然后使用 QAT 策略进一步量化。量化后的模型比原始 FP32 模型的 F1 值高 2.19。

Models F1
uie-base+微调+FP32 91.93
uie-base+微调+量化+INT8 94.12

三大场景快速启动模型压缩示例

本项目提供了压缩 API 在分类(包含文本分类、文本匹配、自然语言推理、代词消歧等任务)、序列标注、抽取式阅读理解三大场景下的使用样例,可以分别参考 ERNIE 3.0 目录下的 compress_seq_cls.pycompress_token_cls.pycompress_qa.py 脚本,启动方式如下:

# 分类任务
# 该脚本共支持 CLUE 中 7 个分类任务,超参不全相同,因此分类任务中的超参配置利用 config.yml 配置
python compress_seq_cls.py \
    --dataset "clue tnews"  \
    --model_name_or_path best_models/TNEWS  \
    --output_dir ./

# 序列标注任务
python compress_token_cls.py \
    --dataset "msra_ner"  \
    --model_name_or_path best_models/MSRA_NER \
    --output_dir ./ \
    --max_seq_length 128 \
    --per_device_train_batch_size 32 \
    --per_device_eval_batch_size 32 \
    --learning_rate 0.00005 \
    --remove_unused_columns False \
    --num_train_epochs 3

# 阅读理解任务
python compress_qa.py \
    --dataset "clue cmrc2018" \
    --model_name_or_path best_models/CMRC2018  \
    --output_dir ./ \
    --max_seq_length 512 \
    --learning_rate 0.00003 \
    --num_train_epochs 8 \
    --per_device_train_batch_size 24 \
    --per_device_eval_batch_size 24 \
    --max_answer_length 50 \

示例代码中压缩使用的是 datasets 内置的数据集,若想要使用自定义数据集压缩,可参考 datasets 加载自定义数据集文档

四步启动模型压缩

环境依赖

  • paddlepaddle-gpu >=2.4.1

  • paddlenlp >= 2.5

  • paddleslim >= 2.4.0

模型压缩 API 中的压缩功能依赖最新的 paddleslim 包。可运行以下命令安装:

pip install paddleslim -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

模型压缩 API 的使用大致分为四步:

  • Step 1: 使用 PdArgumentParser 解析从命令行传入的超参数,以获取压缩参数 compression_args

  • Step 2: 实例化 Trainer 并调用 compress() 压缩 API

  • Step 3: 实现自定义评估函数和 loss 计算函数(按需可选),以适配自定义压缩任务

  • Step 4:传参并运行压缩脚本

示例代码

from paddlenlp.trainer import PdArgumentParser, CompressionArguments

# Step1: 使用 `PdArgumentParser` 解析从命令行传入的超参数,以获取压缩参数 `compression_args`;
parser = PdArgumentParser(CompressionArguments)
compression_args = parser.parse_args_into_dataclasses()

# Step2: 实例化 Trainer 并调用 compress()
trainer = Trainer(
    model=model,
    args=compression_args,
    data_collator=data_collator,
    train_dataset=train_dataset,
    eval_dataset=eval_dataset,
    criterion=criterion)

# Step 3: 使用内置模型和评估方法,则不需要实现自定义评估函数和 loss 计算函数
trainer.compress()
# Step4: 传参并运行压缩脚本
python compress.py \
    --output_dir ./compress_models  \
    --per_device_train_batch_size 32 \
    --per_device_eval_batch_size 32 \
    --num_train_epochs 4 \
    --width_mult_list 0.75 \
    --batch_size_list 4 8 16 \
    --batch_num_list 1 \

Step 1:获取模型压缩参数 compression_args

使用 PdArgumentParser 对象解析从命令行得到的超参数,从而得到 compression_args,并将 compression_args 传给 Trainer 对象。获取 compression_args 的方法通常如下:

from paddlenlp.trainer import PdArgumentParser, CompressionArguments

# Step1: 使用 `PdArgumentParser` 解析从命令行传入的超参数,以获取压缩参数 `compression_args`;
parser = PdArgumentParser(CompressionArguments)
compression_args = parser.parse_args_into_dataclasses()

Step 2:实例化 Trainer 并调用 compress

Trainer 实例化参数介绍

  • --model 待压缩的模型,目前支持 ERNIE、BERT、RoBERTa、ERNIE-M、ELECTRA、ERNIE-Gram、PP-MiniLM、TinyBERT 等结构相似的模型,是在下游任务中微调后的模型,当预训练模型选择 ERNIE 时,需要继承 ErniePretrainedModel。以分类任务为例,可通过AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_name_or_path) 等方式来获取,这种情况下,model_name_or_path目录下需要有 model_config.json, model_state.pdparams 文件;

  • --data_collator 三类任务均可使用 PaddleNLP 预定义好的 DataCollator 类data_collator 可对数据进行 Pad 等操作。使用方法参考 示例代码 即可;

  • --train_dataset 裁剪训练需要使用的训练集,是任务相关的数据。自定义数据集的加载可参考 文档。不启动裁剪时,可以为 None;

  • --eval_dataset 裁剪训练使用的评估集,也是量化使用的校准数据,是任务相关的数据。自定义数据集的加载可参考 文档。是 Trainer 的必选参数;

  • --tokenizer 模型 model 对应的 tokenizer,可使用 AutoTokenizer.from_pretrained(model_name_or_path) 来获取。

  • --criterion 模型的 loss 计算方法,可以是一个 nn.Layer 对象,也可以是一个函数,用于在 ofa_utils.py 计算模型的 loss 用于计算梯度从而确定神经元重要程度。

其中,criterion 函数定义示例:

# 支持的形式一:
def criterion(logits, labels):
    loss_fct = paddle.nn.BCELoss()
    start_ids, end_ids = labels
    start_prob, end_prob = outputs
    start_ids = paddle.cast(start_ids, 'float32')
    end_ids = paddle.cast(end_ids, 'float32')
    loss_start = loss_fct(start_prob, start_ids)
    loss_end = loss_fct(end_prob, end_ids)
    loss = (loss_start + loss_end) / 2.0
    return loss

# 支持的形式二:
class CrossEntropyLossForSQuAD(paddle.nn.Layer):

    def __init__(self):
        super(CrossEntropyLossForSQuAD, self).__init__()

    def forward(self, y, label):
        start_logits, end_logits = y
        start_position, end_position = label
        start_position = paddle.unsqueeze(start_position, axis=-1)
        end_position = paddle.unsqueeze(end_position, axis=-1)
        start_loss = paddle.nn.functional.cross_entropy(input=start_logits,
                                                        label=start_position)
        end_loss = paddle.nn.functional.cross_entropy(input=end_logits,
                                                      label=end_position)
        loss = (start_loss + end_loss) / 2
        return loss

用以上参数实例化 Trainer 对象,之后直接调用 compress()compress() 会根据选择的策略进入不同的分支,以进行裁剪或者量化的过程。

示例代码

from paddlenlp.trainer import PdArgumentParser, CompressionArguments

# Step1: 使用 `PdArgumentParser` 解析从命令行传入的超参数,以获取压缩参数 `compression_args`;
parser = PdArgumentParser(CompressionArguments)
compression_args = parser.parse_args_into_dataclasses()

# Step2: 实例化 Trainer 并调用 compress()
trainer = Trainer(
    model=model,
    args=compression_args,
    data_collator=data_collator,
    train_dataset=train_dataset,
    eval_dataset=eval_dataset,
    criterion=criterion)

trainer.compress()

Step3:实现自定义评估函数,以适配自定义压缩任务

当使用 DynaBERT 裁剪功能时,如果模型、Metrics 不符合下表的情况,那么模型压缩 API 中评估函数需要自定义。

目前 DynaBERT 裁剪功能只支持 SequenceClassification 等三类 PaddleNLP 内置 class,并且内置评估器对应为 Accuracy、F1、Squad。

Model class name SequenceClassification TokenClassification QuestionAnswering
Metrics Accuracy F1 Squad

需要注意以下三个条件:

  • 如果模型是自定义模型,需要继承 XXXPretrainedModel,例如当预训练模型选择 ERNIE 时,继承 ErniePretrainedModel,模型需要支持调用 from_pretrained() 导入模型,且只含 pretrained_model_name_or_path 一个必选参数,forward 函数返回 logits 或者 tuple of logits

  • 如果模型是自定义模型,或者数据集比较特殊,压缩 API 中 loss 的计算不符合使用要求,需要自定义 custom_evaluate 评估函数,需要同时支持 paddleslim.nas.ofa.OFA 模型和 paddle.nn.layer 模型。可参考下方示例代码。

    • 输入modeldataloader,返回模型的评价指标(单个 float 值)。

    • 将该函数传入 compress() 中的 custom_evaluate 参数;

custom_evaluate() 函数定义示例:

    import paddle
    from paddle.metric import Accuracy

    @paddle.no_grad()
    def evaluate_seq_cls(self, model, data_loader):
        metric = Accuracy()
        model.eval()
        metric.reset()
        for batch in data_loader:
            logits = model(input_ids=batch['input_ids'],
                           token_type_ids=batch['token_type_ids'])
            # Supports paddleslim.nas.ofa.OFA model and nn.layer model.
            if isinstance(model, paddleslim.nas.ofa.OFA):
                logits = logits[0]
            correct = metric.compute(logits, batch['labels'])
            metric.update(correct)
        res = metric.accumulate()
        logger.info("acc: %s, " % res)
        model.train()
        return res

在调用 compress() 时传入这个自定义函数:

trainer.compress(custom_evaluate=evaluate_seq_cls)

Step 4:传参并运行压缩脚本

这一步主要是将压缩需要用到的参数通过命令行传入,并启动压缩脚本。

压缩启动命令:

示例代码

# Step4: 运行压缩脚本
python compress.py \
    --output_dir ./compress_models  \
    --per_device_train_batch_size 32 \
    --per_device_eval_batch_size 32 \
    --num_train_epochs 4 \
    --width_mult_list 0.75 \
    --batch_size_list 4 8 16 \
    --batch_num_list 1 \

下面会介绍模型压缩启动命令可以传递的超参数。

CompressionArguments 参数介绍

CompressionArguments 中的参数一部分是模型压缩功能特定参数,另一部分继承自 TrainingArguments,是压缩训练时需要设置的超参数。下面会进行具体介绍,

公共参数

公共参数中的参数和具体的压缩策略无关。

  • --strategy 模型压缩策略,目前支持 'dynabert+qat+embeddings''dynabert+qat''dynabert+embeddings''dynabert+ptq''dynabert''ptq''qat'。 其中 'dynabert' 代表基于 DynaBERT 的宽度裁剪策略,'qat' 表示量化训练,'ptq' 表示静态离线量化,'embeddings' 表示词表量化,并且 --strategy 支持选择它们之间所有合理的策略组合。默认是 'dynabert+ptq'

  • --output_dir 模型压缩后模型保存目录;

  • --input_infer_model_path 待压缩的静态图模型,该参数是为了支持对静态图模型的压缩。不需使用时可忽略。默认为 None

  • --input_dtype 导出模型的输入类型,一般是 int64 或者是 int32。默认为 int64

DynaBERT 裁剪参数

当用户使用了 DynaBERT 裁剪、PTQ 量化策略(即策略中包含 'dynabert'、'qat' 时需要传入以下可选参数:

  • --width_mult_list 裁剪宽度保留的搜索列表,对 6 层模型推荐 3/4 ,对 12 层模型推荐 2/3,表示对 qkv 以及 ffn 权重宽度的保留比例,假设 12 层模型原先有 12 个 attention heads,裁剪后只剩 9 个 attention heads。默认是 [3/4]

  • --per_device_train_batch_size 用于裁剪训练的每个 GPU/CPU 核心 的 batch 大小。默认是 8;

  • --per_device_eval_batch_size 用于裁剪评估的每个 GPU/CPU 核心 的 batch 大小。默认是 8;

  • --num_train_epochs 裁剪训练所需要的 epochs 数。默认是 3.0;

  • --max_steps 如果设置为正数,则表示要执行的训练步骤总数。覆盖 num_train_epochs。默认为 -1;

  • --logging_steps 两个日志之间的更新步骤数。默认为 500;

  • --save_steps 评估模型的步数。默认为 100;

  • --optim 裁剪训练使用的优化器名称,默认为adamw,默认为 'adamw';

  • --learning_rate 裁剪训练使用优化器的初始学习率,默认为 5e-05;

  • --weight_decay 除了所有 bias 和 LayerNorm 权重之外,应用于所有层裁剪训练时的权重衰减数值。 默认为 0.0;

  • --adam_beta1 裁剪训练使用 AdamW 的优化器时的 beta1 超参数。默认为 0.9;

  • --adam_beta2 裁剪训练使用 AdamW 优化器时的 beta2 超参数。默认为 0.999;

  • --adam_epsilon 裁剪训练使用 AdamW 优化器时的 epsilon 超参数。默认为 1e-8;

  • --max_grad_norm 最大梯度范数(用于梯度裁剪)。默认为 1.0;

  • --lr_scheduler_type 要使用的学习率调度策略。默认为 'linear';

  • --warmup_ratio 用于从 0 到 learning_rate 的线性 warmup 的总训练步骤的比例。 默认为 0.0;

  • --warmup_steps 用于从 0 到 learning_rate 的线性 warmup 的步数。覆盖 warmup_ratio 参数。默认是 0;

  • --seed 设置的随机种子。为确保多次运行的可复现性。默认为 42;

  • --device 运行的设备名称。支持 cpu/gpu。默认为 'gpu';

  • --remove_unused_columns 是否去除 Dataset 中不用的字段数据。默认是 True;

量化公共参数

PTQ 量化参数

当用户使用了 PTQ 量化策略时需要传入以下可选参数:

  • --algo_list 量化策略搜索列表,目前支持 'KL''abs_max''min_max''avg''hist''mse''emd',不同的策略计算量化比例因子的方法不同。建议传入多种策略,可批量得到由多种策略产出的多个量化模型,可从中选择效果最优模型。ERNIE 类模型较推荐 'hist', 'mse', 'KL''emd' 等策略。默认是 ['mse', 'KL'];

  • --batch_num_list batch_nums 的超参搜索列表,batch_nums 表示采样需要的 batch 数。校准数据的总量是 batch_size * batch_nums。如 batch_num 为 None,则 data loader 提供的所有数据均会被作为校准数据。默认是 [1];

  • --batch_size_list 校准样本的 batch_size 搜索列表。并非越大越好,也是一个超参数,建议传入多种校准样本数,最后可从多个量化模型中选择最优模型。默认是 [4]

  • --weight_quantize_type 权重的量化类型,支持 'abs_max''channel_wise_abs_max' 两种方式。通常使用 'channel_wise_abs_max', 这种方法得到的模型通常精度更高;

  • activation_quantize_type 激活 tensor 的量化类型。支持 'abs_max', 'range_abs_max' 和 'moving_average_abs_max'。在 'ptq' 策略中,默认是 'range_abs_max';

  • --round_type 权重值从 FP32 到 INT8 的转化方法,目前支持 'round' 和 'adaround',默认是 'round'

  • --bias_correction 如果是 True,表示使用 bias correction 功能,默认为 False。

QAT 量化参数

当用户使用了 QAT 量化策略时,除了可以设置上面训练相关的参数,还可以传入以下可选参数:

  • --weight_quantize_type 权重的量化类型,支持 'abs_max''channel_wise_abs_max' 两种方式。通常使用 'channel_wise_abs_max', 这种方法得到的模型通常精度更高;

  • activation_quantize_type 激活 tensor 的量化类型。支持 'abs_max', 'range_abs_max' 和 'moving_average_abs_max'。在'qat'策略中,它默认是 'moving_average_abs_max';

  • use_pact 是否使用 PACT 量化策略,是对普通方法的改进,参考论文PACT: Parameterized Clipping Activation for Quantized Neural Networks,打开后精度更高,默认是 True。

  • moving_rate 'moving_average_abs_max' 量化方法中的衰减系数,默认为 0.9;

模型评估与部署

裁剪、量化后的模型不能再通过 from_pretrained 导入进行预测,而是需要使用 Paddle 部署工具才能完成预测。

压缩后的模型部署可以参考 部署文档 完成。

Python 部署

服务端部署可以从这里开始。可以利用 预测 backend 脚本,并参考 infer_cpu.py 或者 infer_gpu.py 来编写自己的预测脚本。并根据 Python 部署指南 的介绍安装预测环境,对压缩后的模型进行精度评估、性能测试以及部署。

移动端部署

FAQ

Q:模型压缩需要数据吗?

A:DynaBERT 裁剪和量化训练 QAT 需要使用训练集进行训练,验证集进行评估,其过程类似微调;静态离线量化 PTQ 只需要验证集(对样本量要求较低,一般 4-16 个样本就可能可以满足要求);

Q:示例代码里是内置的数据集,如何使用我自己的数据呢

A:可以参考 UIE 的例子,也可以参考 datasets 加载自定义数据集文档

Q:模型压缩后的模型还能继续训练吗?

A:模型压缩主要用于推理加速,因此压缩后的模型都是静态图(预测)模型,不能再通过 from_pretrained() API 导入继续训练;

Q:裁剪和量化怎么选?

A:可以设置参数 --strategy 来选择压缩的策略,默认是裁剪和量化同时选择,先裁剪后量化。目前裁剪策略有训练过程,需要下游任务的训练数据,其训练时间视下游任务数据量而定,且和微调的训练时间是一个量级。静态离线量化则不需要额外的训练,更快,通常来说量化的加速比比裁剪更明显。建议裁剪和量化同时选择,有些情况下可能比单独量化效果更好;

Q:裁剪中也有训练过程吗?

A:DynaBERT 裁剪类似蒸馏过程,也会有模型训练时用到的超参,方便起见,可以直接使用微调时所用的最佳的超参。如果想进一步提升精度,可以对 batch_sizelearning_rateepoch 等超参数进行 Grid Search;

Q:使用 TensorDataset 对象做量化报错了,为什么?

A:使用量化时,eval_dataset 不可以是 TensorDataset 对象,因为量化功能内部在静态图模式下执行,而 TensorDataset 只能在动态图下使用,两者同时使用会导致错误;

参考文献

  • Hou L, Huang Z, Shang L, Jiang X, Chen X and Liu Q. DynaBERT: Dynamic BERT with Adaptive Width and Depth[J]. arXiv preprint arXiv:2004.04037, 2020.

  • Cai H, Gan C, Wang T, Zhang Z, and Han S. Once for all: Train one network and specialize it for efficient deployment[J]. arXiv preprint arXiv:1908.09791, 2020.

  • Wu H, Judd P, Zhang X, Isaev M and Micikevicius P. Integer Quantization for Deep Learning Inference: Principles and Empirical Evaluation[J]. arXiv preprint arXiv:2004.09602v1, 2020.