The deployment of large language models (LLMs) is often constrained by memory bandwidth, where the primary bottleneck is the cost of transferring model parameters from the GPU's global memory to its registers. When coupled with custom kernels that fuse the dequantization and matmul operations, weight-only quantization can thus enable faster inference by reducing the amount of memory movement. However, developing high-performance kernels for weight-quantized LLMs presents substantial challenges, especially when the weights are compressed to non-evenly-divisible bit widths (e.g., 3 bits) with non-uniform, lookup table (LUT) quantization. This paper describes FLUTE, a flexible lookup table engine for LUT-quantized LLMs, which uses offline restructuring of the quantized weight matrix to minimize bit manipulations associated with unpacking, and vectorization and duplication of the lookup table to mitigate shared memory bandwidth constraints. At batch sizes < 32 and quantization group size of 128 (typical in LLM inference), the FLUTE kernel can be 2-4x faster than existing GEMM kernels. As an application of FLUTE, we explore a simple extension to lookup table-based NormalFloat quantization and apply it to quantize LLaMA3 to various configurations, obtaining competitive quantization performance against strong baselines while obtaining an end-to-end throughput increase of 1.5 to 2 times.


翻译:大型语言模型(LLM)的部署常受限于内存带宽,其主要瓶颈在于将模型参数从GPU全局内存传输至寄存器的开销。当结合能够融合反量化与矩阵乘法操作的自定义内核时,仅对权重进行量化可通过减少内存移动量来实现更快的推理。然而,为权重量化LLM开发高性能内核面临重大挑战,尤其是在权重被压缩至非均匀可整除比特宽度(例如3比特)并采用非均匀查找表(LUT)量化时。本文介绍了FLUTE,一种用于LUT量化LLM的灵活查找表引擎,它通过对量化权重矩阵进行离线重构来最小化解包相关的比特操作,并通过查找表的向量化与复制来缓解共享内存带宽限制。在批次大小小于32且量化分组大小为128(LLM推理中的典型设置)时,FLUTE内核可比现有的GEMM内核快2至4倍。作为FLUTE的应用,我们探索了基于查找表的NormalFloat量化的简单扩展,并将其应用于以不同配置量化LLaMA3模型,在获得相较于强基线具有竞争力的量化性能的同时,实现了1.5至2倍的端到端吞吐量提升。

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