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1 配置LMDeploy环境

1.1 环境搭建

点选开发机，自拟一个开发机名称，选择Cuda12.2-conda镜像。

我们要运行参数量为7B的InternLM2.5，由HuggingFace中的InternLM2.5的模型文件查询InternLM2.5-7b-chat的config.json文件可知，该模型的权重被存储为bfloat16格式
在这里插入图片描述

对于一个7B（70亿）参数的模型，每个参数使用16位浮点数（等于 2个 Byte）表示，则模型的权重大小约为：

70×10^9 parameters×2 Bytes/parameter=14GB

70亿个参数×每个参数占用2个字节=14GB

所以我们需要大于14GB的显存。
在终端中，让我们输入以下指令，来创建一个名为lmdeploy的conda环境，python版本为3.10，创建成功后激活环境并安装0.5.3版本的lmdeploy及相关包。

conda create -n lmdeploy  python=3.10 -y
conda activate lmdeploy
conda install pytorch==2.1.2 torchvision==0.16.2 torchaudio==2.1.2 pytorch-cuda=12.1 -c pytorch -c nvidia -y
pip install timm==1.0.8 openai==1.40.3 lmdeploy[all]==0.5.3

1.2 InternStudio环境获取模型

为方便文件管理，我们需要一个存放模型的目录，本教程统一放置在/root/models/目录。

运行以下命令，从HuggingFace上下载internlm2_5-7b-chat, internlm2_5-1_8b-chat 和InternVL2-26B三个模型。

apt-get install git-lfs
git lfs install
# Git LFS initialized.
git clone https://huggingface.co/internlm/internlm2_5-7b-chat
git clone https://huggingface.co/internlm/internlm2_5-1_8b-chat
git clone https://huggingface.co/OpenGVLab/InternVL2-26B

此时，我们可以看到/root/models中会出现internlm2_5-7b-chat、internlm2_5-1_8b-chat和InternVL2-26B文件夹。

教程使用internlm2_5-7b-chat和InternVL2-26B作为演示。由于上述模型量化会消耗大量时间(约8h)，量化作业请使用internlm2_5-1_8b-chat模型完成。

1.3 LMDeploy验证启动模型文件

在量化工作正式开始前，我们还需要验证一下获取的模型文件能否正常工作，以免竹篮打水一场空。

让我们进入创建好的conda环境并启动InternLM2_5-7b-chat！

conda activate lmdeploy
lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat

稍待片刻，启动成功后，我们可以在CLI(“命令行界面” Command Line Interface的缩写)中和InternLM2.5尽情对话了，注意输入内容完成后需要按两次回车才能够执行，以下为示例。
在这里插入图片描述
使用nvidia-smi查看显存占用情况。也可以使用gpustat --watch来实时监控显存使用情况。本文是在InternStudio平台进行，所以可以直接通过平台查看到显存使用情况，如下图所示：
在这里插入图片描述
显存占用为36G

那么这是为什么呢？由上文可知InternLM2.5 7B模型为bf16，LMDpeloy推理精度为bf16的7B模型权重需要占用14GB显存；如下图所示，lmdeploy默认设置cache-max-entry-count为0.8，即kv cache占用剩余显存的80%；

而对于40GB的显卡，权重占用14GB，剩余显存40-14=26GB，因此kv cache占用26GB*0.8=20.8GB，加上原来的权重14GB，总共占用34.8GB。

实际加载模型后，其他项也会占用部分显存，因此剩余显存比理论偏低，实际占用会略高于34.8GB。

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2 LMDeploy与InternLM2.5

2.1 LMDeploy API部署InternLM2.5

在上一章节，我们直接在本地部署InternLM2.5。而在实际应用中，我们有时会将大模型封装为API接口服务，供客户端访问。

2.1.1 启动API服务器

首先让我们进入创建好的conda环境，并通下命令启动API服务器，部署InternLM2.5模型：

conda activate lmdeploy
lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-7b-chat \
    --model-format hf \
    --quant-policy 0 \
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

命令解释：

  1. lmdeploy serve api_server：这个命令用于启动API服务器。
  2. /root/models/internlm2_5-7b-chat：这是模型的路径。
  3. --model-format hf：这个参数指定了模型的格式。hf代表“Hugging Face”格式。
  4. --quant-policy 0：这个参数指定了量化策略。
  5. --server-name 0.0.0.0：这个参数指定了服务器的名称。在这里，0.0.0.0是一个特殊的IP地址，它表示所有网络接口。
  6. --server-port 23333：这个参数指定了服务器的端口号。在这里，23333是服务器将监听的端口号。
  7. --tp 1：这个参数表示并行数量（GPU数量）。

稍待片刻，终端显示如下。
在这里插入图片描述

然后打开浏览器，访问http://127.0.0.1:23333看到如下界面即代表部署成功。

在这里插入图片描述

2.1.2 以命令行形式连接API服务器

新建一个终端，执行下面命令开启一个客户端连接刚才运行的接口。

conda activate lmdeploy
lmdeploy serve api_client http://localhost:23333

稍待片刻，等出现double enter to end input >>>的输入提示即启动成功，此时便可以随意与InternLM2.5对话，同样是两下回车确定，输入exit退出。
在这里插入图片描述

2.1.3 以Gradio网页形式连接API服务器

保持第一个终端不动，在新建终端中输入exit退出。

输入以下命令，使用Gradio作为前端，启动网页。

lmdeploy serve gradio http://localhost:23333 \
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 6006

稍待片刻，等终端如下图所示便保持两个终端不动。

在这里插入图片描述

打开浏览器，访问地址http://127.0.0.1:6006，然后就可以与模型尽情对话了。
在这里插入图片描述

2.2 LMDeploy Lite

随着模型变得越来越大，我们需要一些大模型压缩技术来降低模型部署的成本，并提升模型的推理性能。LMDeploy 提供了权重量化和 k/v cache两种策略。

2.2.1 设置最大kv cache缓存大小

KV cache是一种缓存技术，通过存储键值对的形式来复用计算结果，以达到提高性能和降低内存消耗的目的。在大规模训练和推理中，KV cache可以显著减少重复计算量，从而提升模型的推理速度。理想情况下，kv cache全部存储于显存，以加快访存速度。

模型在运行时，占用的显存可大致分为三部分：模型参数本身占用的显存、KV cache占用的显存，以及中间运算结果占用的显存。LMDeploy的kv cache管理器可以通过设置--cache-max-entry-count参数，控制kv缓存占用剩余显存的最大比例。默认的比例为0.8。

首先我们先来回顾一下InternLM2.5正常运行时占用显存。
在这里插入图片描述

占用了23GB，那么试一试执行以下命令，再来观看占用显存情况。

lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat --cache-max-entry-count 0.4

稍待片刻，观测显存占用情况，可以看到减少了约10GB的显存。
在这里插入图片描述

让我们计算一下4GB显存的减少缘何而来，

对于修改kv cache默认占用之前，即如1.3 LMDeploy验证启动模型文件所示直接启动模型的显存占用情况(36GB)：

  1. 在 BF16 精度下，7B模型权重占用14GB：70×10^9 parameters×2 Bytes/parameter=14GB
  2. kv cache占用8GB：剩余显存40-14=26GB，kv cache默认占用80%，即26*0.8=20.8GB
  3. 其他项1GB

是故36GB=权重占用14GB+kv cache占用20.8GB+其它项1GB

对于修改kv cache占用之后的显存占用情况(19GB)：

  1. 与上述声明一致，在 BF16 精度下，7B模型权重占用14GB
  2. kv cache占用8GB：剩余显存40-14=26GB，kv cache默认占用80%，即26*0.4=10.4GB
  3. 其他项1GB

是故26GB=权重占用14GB+kv cache占用10.4GB+其它项1GB
而此刻减少的10GB显存占用就是从26GB*0.8-26GB*0.4=10GB，这里计算得来。

2.2.2 设置在线 kv cache int4/int8 量化

自 v0.4.0 起，LMDeploy 支持在线 kv cache int4/int8 量化，量化方式为 per-head per-token 的非对称量化。此外，通过 LMDeploy 应用 kv 量化非常简单，只需要设定 quant_policy 和cache-max-entry-count参数。目前，LMDeploy 规定 quant_policy=4 表示 kv int4 量化，quant_policy=8 表示 kv int8 量化。

我们通过2.1 LMDeploy API部署InternLM2.5的实践为例，输入以下指令，启动API服务器。

lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-7b-chat \
    --model-format hf \
    --quant-policy 4 \
    --cache-max-entry-count 0.4\
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

稍待片刻，显示如下即代表服务启动成功。
在这里插入图片描述

想要和此时的模型对话的话可以回顾2.1.2 以命令行形式连接API服务器或者2.1.3 以Gradio网页形式连接API服务器的内容自行对话，步骤完全一致，本章主要观测显存状态。

可以看到此时显存占用约26GB，相较于1.3 LMDeploy验证启动模型文件直接启动模型的显存占用情况(36GB)减少了10GB的占用。此时10GB显存的减少逻辑与2.2.1 设置最大kv cache缓存大小中10GB显存的减少一致，均因设置kv cache占用参数cache-max-entry-count至0.4而减少了10GB显存占用。
在这里插入图片描述

那么本节中26GB的显存占用与2.2.1 设置最大kv cache缓存大小中26GB的显存占用区别何在呢？

由于都使用BF16精度下的internlm2.5 7B模型，故剩余显存均为26GB，且 cache-max-entry-count 均为0.4，这意味着LMDeploy将分配40%的剩余显存用于kv cache，即26GB*0.4=10.4GB。但quant-policy 设置为4时，意味着使用int4精度进行量化。因此，LMDeploy将会使用int4精度提前开辟10.4GB的kv cache。

相比使用BF16精度的kv cache，int4的Cache可以在相同4GB的显存下只需要4位来存储一个数值，而BF16需要16位。这意味着int4的Cache可以存储的元素数量是BF16的四倍。

2.2.3 W4A16 模型量化和部署

准确说，模型量化是一种优化技术，旨在减少机器学习模型的大小并提高其推理速度。量化通过将模型的权重和激活从高精度（如16位浮点数）转换为低精度（如8位整数、4位整数、甚至二值网络）来实现。

那么标题中的W4A16又是什么意思呢？

  • W4：这通常表示权重量化为4位整数（int4）。这意味着模型中的权重参数将从它们原始的浮点表示（例如FP32、BF16或FP16，Internlm2.5精度为BF16）转换为4位的整数表示。这样做可以显著减少模型的大小。
  • A16：这表示激活（或输入/输出）仍然保持在16位浮点数（例如FP16或BF16）。激活是在神经网络中传播的数据，通常在每层运算之后产生。

因此，W4A16的量化配置意味着：

  • 权重Weight被量化为4位整数。
  • 激活Activation保持为16位浮点数。
internlm2_5-1_8b-chat 的W4A16量化

让我们回到LMDeploy，在最新的版本中，LMDeploy使用的是AWQ算法，能够实现模型的4bit权重量化。输入以下指令，执行量化工作。这里以采用W4A16量化internlm2_5-1_8b-chat模型为例：

lmdeploy lite auto_awq \
   /root/models/internlm2_5-1_8b-chat \
  --calib-dataset 'ptb' \
  --calib-samples 128 \
  --calib-seqlen 2048 \
  --w-bits 4 \
  --w-group-size 128 \
  --batch-size 1 \
  --search-scale False \
  --work-dir /root/models/internlm2_5-1_8b-chat-w4a16-4bit

命令解释：

  1. lmdeploy lite auto_awq: lite这是LMDeploy的命令，用于启动量化过程，而auto_awq代表自动权重量化（auto-weight-quantization）。
  2. /root/models/internlm2_5-7b-chat: 模型文件的路径。
  3. --calib-dataset 'ptb': 这个参数指定了一个校准数据集，这里使用的是’ptb’（Penn Treebank，一个常用的语言模型数据集）。
  4. --calib-samples 128: 这指定了用于校准的样本数量—128个样本
  5. --calib-seqlen 2048: 这指定了校准过程中使用的序列长度—2048
  6. --w-bits 4: 这表示权重（weights）的位数将被量化为4位。
  7. --work-dir /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit: 这是工作目录的路径，用于存储量化后的模型和中间结果。

等终端输出如下时，说明正在推理中，稍待片刻。
在这里插入图片描述

等待推理完成，便可以直接在你设置的目标文件夹看到对应的模型文件。

量化前后模型文件大小对比

那么推理后的模型和原本的模型区别在哪里呢？最明显的两点是模型文件大小以及占据显存大小。

我们可以输入如下指令查看在当前目录中显示所有子目录的大小。

du -sh /root/models/internlm2_5-1_8b-chat-w4a16-4bit

输出结果如下。(其余文件夹都是以软链接的形式存在的，不占用空间，故显示为0)
在这里插入图片描述

那么原模型大小呢？输入以下指令查看。

cd /root/share/new_models/Shanghai_AI_Laboratory/
du -sh internlm2_5-1_8b-chat

终端输出结果如下。
在这里插入图片描述
可以看到，模型文件大小从3.6G减少到了1.5G。

量化前后模型显存占用大小对比

为了使对比比较明显，这里以internlm2_5-7b-chat模型为例，可以按照前面步骤进行量化。
那么显存占用情况对比呢？输入以下指令启动量化后的模型。

lmdeploy chat /root/models/internlm2_5-7b-chat-w4a16-4bit/ --model-format awq

稍待片刻，我们直接观测右上角的显存占用情况。

img

可以发现，相比较于原先的36GB显存占用，W4A16量化后的模型少了约2GB的显存占用。

让我们计算一下2GB显存的减少缘何而来。

对于W4A16量化之前，即如1.3 LMDeploy验证启动模型文件所示直接启动模型的显存占用情况(23GB)：

1、在 BF16 精度下，7B模型权重占用14GB：70×10^9 parameters×2 Bytes/parameter=14GB

2、kv cache占用8GB：剩余显存24-14=10GB，kv cache默认占用80%，即10*0.8=8GB

3、其他项1GB

是故23GB=权重占用14GB+kv cache占用8GB+其它项1GB

而对于W4A16量化之后的显存占用情况(20.9GB)：

1、在 int4 精度下，7B模型权重占用3.5GB：14/4=3.5GB

注释：

  • bfloat16是16位的浮点数格式，占用2字节（16位）的存储空间。int4是4位的整数格式，占用0.5字节（4位）的存储空间。因此，从bfloat16到int4的转换理论上可以将模型权重的大小减少到原来的1/4，即7B个int4参数仅占用3.5GB的显存。

2、kv cache占用16.4GB：剩余显存24-3.5=20.5GB，kv cache默认占用80%，即20.5*0.8=16.4GB

3、其他项1GB

是故20.9GB=权重占用3.5GB+kv cache占用16.4GB+其它项1GB

2.2.4 W4A16 + KV cache部署internlm2_5-1_8b-chat推理

下面继续使用KV cache量化部署internlm2_5-1_8b-chat模型来进行推理。

输入以下指令，让我们同时启用量化后的模型、设定kv cache占用和kv cache int4量化。

lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-1_8b-chat-w4a16-4bit \
    --model-format awq \
    --quant-policy 4 \
    --cache-max-entry-count 0.4\
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

此时显存占用1.8GB。
在这里插入图片描述
使用命令启动Gradio客户端后进行对话：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
可以看到量化之后的效果依旧不错。

3 LMDeploy之FastAPI与Function call

之前在2.1.1 启动API服务器与3.2 LMDeploy API部署InternVL2均是借助FastAPI封装一个API出来让LMDeploy自行进行访问，在这一章节中我们将依托于LMDeploy封装出来的API进行更加灵活更具DIY的开发。

3.1 API开发

与之前一样，让我们进入创建好的conda环境并输入指令启动API服务器。

conda activate lmdeploy
lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-1_8b-chat-w4a16-4bit \
    --model-format awq \
    --cache-max-entry-count 0.4 \
    --quant-policy 4 \
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

新建终端中输入如下指令，新建一个internlm2_5.py。

touch /root/internlm2_5.py

将以下内容复制粘贴进internlm2_5.py。

# 导入openai模块中的OpenAI类，这个类用于与OpenAI API进行交互
from openai import OpenAI


# 创建一个OpenAI的客户端实例，需要传入API密钥和API的基础URL
client = OpenAI(
    api_key='YOUR_API_KEY',  
    # 替换为你的OpenAI API密钥，由于我们使用的本地API，无需密钥，任意填写即可
    base_url="http://0.0.0.0:23333/v1"  
    # 指定API的基础URL，这里使用了本地地址和端口
)

# 调用client.models.list()方法获取所有可用的模型，并选择第一个模型的ID
# models.list()返回一个模型列表，每个模型都有一个id属性
model_name = client.models.list().data[0].id

# 使用client.chat.completions.create()方法创建一个聊天补全请求
# 这个方法需要传入多个参数来指定请求的细节
response = client.chat.completions.create(
  model=model_name,  
  # 指定要使用的模型ID
  messages=[  
  # 定义消息列表，列表中的每个字典代表一个消息
    {"role": "system", "content": "你是一个友好的小助手，负责解决问题."},  
    # 系统消息，定义助手的行为
    {"role": "user", "content": "帮我讲述一个关于狐狸和西瓜的小故事"},  
    # 用户消息，询问时间管理的建议
  ],
    temperature=0.8,  
    # 控制生成文本的随机性，值越高生成的文本越随机
    top_p=0.8  
    # 控制生成文本的多样性，值越高生成的文本越多样
)

# 打印出API的响应结果
print(response.choices[0].message.content)

现在让我们在新建终端输入以下指令激活环境并运行python代码。

conda activate lmdeploy

cd /文件所在目录
python internlm2_5.py

终端会输出如下结果。
在这里插入图片描述

此时代表我们成功地使用本地API与大模型进行了一次对话，如果切回第一个终端窗口，会看到如下信息，这代表其成功的完成了一次用户问题GET与输出POST。
在这里插入图片描述

3.2 Function call

关于Function call，即函数调用功能，它允许开发者在调用模型时，详细说明函数的作用，并使模型能够智能地根据用户的提问来输入参数并执行函数。完成调用后，模型会将函数的输出结果作为回答用户问题的依据。

首先让我们进入创建好的conda环境并启动API服务器。

conda activate lmdeploy
lmdeploy serve api_server \
    /root/models/internlm2_5-7b-chat \
    --model-format hf \
    --quant-policy 0 \
    --server-name 0.0.0.0 \
    --server-port 23333 \
    --tp 1

目前LMDeploy在0.5.3版本中支持了对InternLM2, InternLM2.5和llama3.1这三个模型，故我们选用InternLM2.5 封装API。

让我们使用一个简单的例子作为演示。输入如下指令，新建internlm2_5_func.py。

touch /root/internlm2_5_func.py

将以下内容复制粘贴进internlm2_5_func.py。

from openai import OpenAI

def add(a: int, b: int):
    return a + b

def mul(a: int, b: int):
    return a * b

tools = [{
    'type': 'function',
    'function': {
        'name': 'add',
        'description': 'Compute the sum of two numbers',
        'parameters': {
            'type': 'object',
            'properties': {
                'a': {
                    'type': 'int',
                    'description': 'A number',
                },
                'b': {
                    'type': 'int',
                    'description': 'A number',
                },
            },
            'required': ['a', 'b'],
        },
    }
}, {
    'type': 'function',
    'function': {
        'name': 'mul',
        'description': 'Calculate the product of two numbers',
        'parameters': {
            'type': 'object',
            'properties': {
                'a': {
                    'type': 'int',
                    'description': 'A number',
                },
                'b': {
                    'type': 'int',
                    'description': 'A number',
                },
            },
            'required': ['a', 'b'],
        },
    }
}]
messages = [{'role': 'user', 'content': 'Compute (3+5)*2'}]

client = OpenAI(api_key='YOUR_API_KEY', base_url='http://0.0.0.0:23333/v1')
model_name = client.models.list().data[0].id
response = client.chat.completions.create(
    model=model_name,
    messages=messages,
    temperature=0.8,
    top_p=0.8,
    stream=False,
    tools=tools)
print(response)
func1_name = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.name
func1_args = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.arguments
func1_out = eval(f'{func1_name}(**{func1_args})')
print(func1_out)

messages.append({
    'role': 'assistant',
    'content': response.choices[0].message.content
})
messages.append({
    'role': 'environment',
    'content': f'3+5={func1_out}',
    'name': 'plugin'
})
response = client.chat.completions.create(
    model=model_name,
    messages=messages,
    temperature=0.8,
    top_p=0.8,
    stream=False,
    tools=tools)
print(response)
func2_name = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.name
func2_args = response.choices[0].message.tool_calls[0].function.arguments
func2_out = eval(f'{func2_name}(**{func2_args})')
print(func2_out)

现在让我们输入以下指令运行python代码。

python internlm2_5_func.py

稍待片刻终端输出如下。
在这里插入图片描述

我们可以看出InternLM2.5将输入'Compute (3+5)*2'根据提供的function拆分成了"加"和"乘"两步，第一步调用function add实现加，再于第二步调用function mul实现乘，再最终输出结果16.

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