模型压缩到70%，还能保持100%准确率，无损压缩框架DFloat11来了

机器之心报道

编辑：陈萍、+0

大型语言模型（LLMs）在广泛的自然语言处理（NLP）任务中展现出了卓越的能力。然而，它们迅速增长的规模给高效部署和推理带来了巨大障碍，特别是在计算或内存资源有限的环境中。

例如，Llama-3.1-405B 在 BFloat16（16-bit Brain Float）格式下拥有 4050 亿个参数，需要大约 810GB 的内存进行完整推理，超过了典型高端 GPU 服务器（例如，DGX A100/H100，配备 8 个 80GB GPU）的能力。因此，部署该模型需要多个节点，这使得它昂贵且难以获取。

本文，来自莱斯大学等机构的研究者提出了一种解决方案，可以将任何 BFloat16 模型压缩到原始大小的 70%，同时还能在任务上保持 100% 的准确性。

• 论文标题： 70% Size, 100% Accuracy: Lossless LLM Compression for Efficient GPU Inference via Dynamic-Length Float
• 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2504.11651
• 项目地址：https://github.com/LeanModels/DFloat11

为了应对 LLM 不断增长的模型尺寸，通常会采用量化技术，将高精度权重转换为低位表示。这显著减少了内存占用和计算需求，有助于在资源受限的环境中实现更快的推理和部署。然而，量化本质上是一种有损压缩技术，引入了一个基本缺点：它不可避免地改变了 LLMs 的输出分布，从而影响模型的准确性和可靠性。

相比之下，无损压缩技术在有效减少 LLM 规模的同时，保留了精确的原始权重，确保模型的输出分布与未压缩表示（例如 BFloat16）完全相同。然而，现有的无损方法主要集中在提高 LLMs 的存储效率上，例如缩小模型检查点或优化针对专用硬件如 FPGA 的性能上。

本文提出了DFloat11（Dynamic-Length Float），这是一种无损压缩框架，可以在保持与原始模型完全相同的输出的情况下，将LLM 的规模减少 30%

DFloat11 的提出源于当前 LLM 模型中 BFloat16 权重表示的低熵问题，这暴露出现有存储格式存在显著的低效性。通过应用熵编码技术，DFloat11 根据权重出现频率为其分配动态长度编码，在不损失任何精度的情况下实现了接近信息理论极限的压缩效果。

为了支持动态长度编码的高效推理，该研究还开发了定制化的 GPU 内核来实现快速在线解压缩。其设计包含以下内容：

• 将内存密集型查找表（LUT）分解为适应 GPU SRAM 的紧凑型查找表；
• 采用双阶段内核设计，通过轻量级辅助变量协调线程读写位置；
• 实现 Transformer 块级解压缩以最小化延迟。

该研究在 Llama-3.1、Qwen-2.5 和 Gemma-3 等最新模型上进行了实验：DFloat11 能在保持比特级（bit-for-bit）精确输出的同时，将模型体积缩减约 30%。与将未压缩模型部分卸载到 CPU 以应对内存限制的潜在方案相比，DFloat11 在 token 生成吞吐量上实现了 1.9–38.8 倍的提升。在固定 GPU 内存预算下，DFloat11 支持的上下文长度是未压缩模型的 5.3–13.17 倍。

值得一提的是，基于该方法 Llama-3.1-405B（810GB）在配备 8×80GB GPU 的单节点上实现了无损推理。

方法介绍

LLM 的权重通常使用浮点数表示，包括 BFloat16 或 BF16，其在数值精度和内存效率之间取得了平衡。然而，BFloat16 表示信息并不高效。

针对 BFloat16 表示法中存在的信息效率低下问题，本文提出了一种无损压缩框架，通过熵编码技术对浮点参数进行压缩。

具体实现包括：基于语言模型线性投影矩阵中所有 BFloat16 权重的指数分布构建霍夫曼树，对指数部分采用霍夫曼编码压缩，同时保留原始符号位和尾数位。压缩后的指数经过紧密比特打包存入字节数组 EncodedExponent，而未压缩的符号位和尾数则存储在独立字节数组 PackedSignMantissa 中。图 2 展示了 DFloat11（Dynamic-Length Float）或 DF11，该格式可实现模型参数的高效紧凑表示。

虽然动态长度浮点数能有效实现 LLM 的无损压缩，但关键挑战依然存在：如何利用这些压缩权重进行高效的 GPU 推理。接下来，文章详细介绍了解决方案，其中包括三个关键组成部分：

1. 将一个庞大的无前缀查找表（LUT）分解为多个适合 GPU SRAM 的紧凑 LUTs；
2. 引入一个两阶段的内核设计，利用轻量级辅助变量来高效协调线程的读写操作；
3. 在 transformer 块级别执行解压缩，以提高吞吐量并最小化延迟。

算法 1 是将 DFloat11 解压缩为 BFloat16 的 GPU 内核过程。

实验

研究人员评估了 DF11 压缩方法在 GPU 上的有效性及推理效率，将多个主流大语言模型（包括 LLaMA、Qwen、Gemma 等）从 BFloat16 压缩为 DF11 格式，并报告其压缩比和性能表现。

在软硬件环境方面，研究人员使用 CUDA 和 C++ 实现了 DF11 解压缩内核，并集成至 Transformers 推理框架。实验基于 HuggingFace Accelerate 框架评估未压缩模型在 CPU 分流（CPU offloading）和多 GPU 场景下的性能。

为全面分析 DF11 内核在不同硬件配置下的表现，团队在多种 GPU 和 CPU 组合的机器上进行实验。

实验结果

DF11 压缩比：DF11 将大语言模型压缩至原始大小的约 70%（等效位宽为 11 位）。

表 2 展示了 DF11 在 LLaMA、Qwen、Gemma 等模型上的压缩效果。所有模型的线性投影层参数均被压缩为 DF11 格式，压缩比稳定在 70%。

无损特性验证：为验证 DF11 的无损特性，研究人员使用 lm-evaluation-harness 工具在 MMLU、TruthfulQA、WikiText 和 C4 数据集上评估模型性能。

结果表明，压缩后的模型在准确率和困惑度（Perplexity）上与原始 BFloat16 模型一致（见表 3）。此外，研究人员逐位对比 DF11 解压后的权重矩阵与原始矩阵，确认其完全相同。

推理性能：研究人员在多个硬件平台上比较了 DF11 与 BFloat16 模型的推理效率。对于 BFloat16 模型，当模型超出单 GPU 显存时，需将部分计算分流至 CPU，而 DF11 模型可完全加载至单 GPU。

评估指标包括延迟（Latency）和吞吐量（Throughput），结果显示 DF11 模型的性能显著优于 BFloat16 模型，延迟减少 1.85 至 38.83 倍（见图 3）。

节省的显存可支持更长生成序列：DF11 的显存节省使模型能够支持更长的生成序列。如图 4 所示，在 batch size 为 1 时，DF11 模型的显存消耗显著降低，相比 BFloat16 模型最多可生成 5.33 至 13.17 倍的 tokens。

消融研究

延迟分析：研究团队以 Llama-3.1-8B-Instruct 为例，对比了其在 BFloat16 与 DF11 格式下不同 batch 大小时的延迟组成，结果如图 5 所示。

相比原始模型，DF11 压缩模型因解压 Transformer 模块与语言建模头引入了额外延迟但该开销与 batch size 无关，因此通过提升 batch size 可有效摊销解压延迟，使总推理时间之间的差距显著缩小。

解压性能对比：研究人员将 DF11 解压内核的延迟与吞吐表现分别与两种基线方案进行对比：

• 将模型权重存储于 CPU 内存并在需要时传输到 GPU；
• 使用 NVIDIA 的 nvCOMP 库中的 ANS（不对称数值系统，Asymmetric Numeral System）解压方法。

实验以 Llama-3.1-8B-Instruct 语言建模头权重矩阵为例，结果如图 6 所示，DF11 的解压吞吐量最高分别为 CPU-GPU 传输和 ANS 解码的 24.87 倍和 15.12 倍。此外，DF11 的压缩比为 70%，优于 nvCOMP 的 78%。值得注意的是，随着权重矩阵规模的增大，DF11 的解压吞吐呈上升趋势，原因是更好的 GPU 线程利用率。