Despite the superior performance, Large Language Models~(LLMs) require significant computational resources for deployment and use. To overcome this issue, quantization methods have been widely applied to reduce the memory footprint of LLMs as well as increasing the inference rate. However, a major challenge is that low-bit quantization methods often lead to performance degradation. It is important to understand how quantization impacts the capacity of LLMs. Different from previous studies focused on overall performance, this work aims to investigate the impact of quantization on \emph{emergent abilities}, which are important characteristics that distinguish LLMs from small language models. Specially, we examine the abilities of in-context learning, chain-of-thought reasoning, and instruction-following in quantized LLMs. Our empirical experiments show that these emergent abilities still exist in 4-bit quantization models, while 2-bit models encounter severe performance degradation on the test of these abilities. To improve the performance of low-bit models, we conduct two special experiments: (1) fine-gained impact analysis that studies which components (or substructures) are more sensitive to quantization, and (2) performance compensation through model fine-tuning. Our work derives a series of important findings to understand the impact of quantization on emergent abilities, and sheds lights on the possibilities of extremely low-bit quantization for LLMs.


翻译:尽管大型语言模型(LLMs)性能卓越,但其部署和使用需要大量计算资源。为解决这一问题,量化方法被广泛应用于减少LLMs的内存占用并提升推理速度。然而,一个主要挑战在于低位量化方法常导致性能下降。理解量化如何影响LLMs的能力至关重要。与以往关注整体性能的研究不同,本文旨在探究量化对**涌现能力**的影响——这是区分LLMs与小型语言模型的重要特征。具体而言,我们检验了量化LLMs中的上下文学习、链式推理和指令遵循能力。实证实验表明,这些涌现能力在4比特量化模型中仍然存在,而2比特模型在测试这些能力时遭遇严重性能退化。为提升低位模型的性能,我们进行了两项特殊实验:(1)细粒度影响分析,研究哪些组件(或子结构)对量化更敏感;(2)通过模型微调进行性能补偿。本研究得出一系列重要发现,有助于理解量化对涌现能力的影响,并为LLMs的极低位量化可能性提供了启示。

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