转载文章：大模型所需 GPU 内存笔记
引言
在运行大型模型时，不仅需要考虑计算能力，还需要关注所用内存和 GPU 的适配情况。这不仅影响 GPU 推理大型模型的能力，还决定了在训练集群中总可用的 GPU 内存，从而影响能够训练的模型规模。
大模型推理的内存计算只需考虑模型权重即可。
大模型训练的内存计算往往会考虑包括模型权重、反向传播的梯度、优化器所用的内存、正向传播的激活状态内存。
接下来以ChatGLM-6B为例，它的参数设置为隐藏层神经元数量（hidden_size）为 4096，层数（num_layers）为 28，token 长度为 2048，注意力头数(attention heads）为 32，讲解怎么计算推理内存和训练内存。
推理内存
模型权重
- 对 int8 而言，模型内存 =1 * 参数量 （字节）
- 对 fp16 和 bf16 而言，模型内存=2 * 参数量（字节）
- 对 fp32 而言，模型内存= 4 * 参数量（字节）
因为 1 GB（\(1024^3\)字节） ≈ 1B字节（???），也正好和1B参数量的数据量级一致，估算时就比较简单了。
例如，对于一个ChatGLM-6B而言，就是：
- 对 int8 而言，模型内存=1 * 6GB=6GB
- 对 fp16 和 bf16 而言，模型内存=2 * 6GB=12GB
- 对 fp32 而言，模型内存=4 * 6GB=24GB
推理总内存
除了用于存储模型权重的内存外，在实际的前向传播过程中还会产生一些额外的开销。根据经验，这些额外开销通常控制在总内存的20%以内（只有80%的有效利用率）
因此，推理总内存≈1.2×模型内存。
训练
模型权重
可以使用纯 fp32 或纯 fp16 训练模型:
- 纯 fp32，模型内存=4 * 参数量（字节）
- 纯 fp16，模型内存=2 * 参数量（字节）
除了常规推理中讨论的模型权重数据类型，训练阶段还涉及混合精度训练。
混合精度 $\approx $ 纯fp16
- 混合精度 (fp16/bf16 + fp32), 模型内存=2 * 参数量（字节）
例如，对于一个ChatGLM-6B而言，就是：
- 纯 fp32，模型内存=4 * 6GB=24GB
- 纯 fp16，模型内存=2 * 6GB=12GB
- 混合精度 (fp16/bf16 + fp32), 模型内存=2 * 6GB=12GB
优化器状态
- 对于纯 AdamW，优化器内存=12 * 参数量（字节）
- 对于像 bitsandbytes 这样的 8 位优化器，优化器内存=6 * 参数量（字节）
- 对于含动量的类 SGD 优化器，优化器内存=8 * 参数量（字节）
例如，对于一个ChatGLM-6B而言，就是：
- 对于纯 AdamW，优化器内存=12 * 6GB=72GB
- 对于像 bitsandbytes 这样的 8 位优化器，优化器内存=6 * 6GB=36GB
- 对于含动量的类 SGD 优化器，优化器内存=8 * 48GB=36GB
梯度
梯度可以存储为 fp32 或 fp16 (梯度数据类型通常与模型数据类型匹配。因此在 fp16 混合精度训练中，梯度数据类型为 fp16)
- 对于 fp32，梯度内存=4 * 参数量（字节）
- 对于 fp16，梯度内存=2 * 参数量（字节）
例如，对于一个ChatGLM-6B而言，就是：
- 对于 fp32，梯度内存=4 * 6GB=24GB
- 对于 fp16，梯度内存=2 * 6GB=12GB
激活状态
在进行LLM（大语言模型）训练时，现代GPU通常会遇到内存问题，而不是算力问题。因此，激活重计算（也称为激活检查点）变得非常流行，它是一种以计算力为代价来减少内存使用的方法。激活重计算/检查点的主要思路是重新计算某些层的激活，而不将它们存储在GPU内存中，从而降低内存使用量。具体来说，减少内存的多少取决于我们选择重新计算哪些层的激活。
接下来，假设激活数据类型为 fp16，没有使用序列并行
- 无重计算的激活内存=token 长度 * batch size * hidden layer 的神经元数量 * 层数(10+24/t+5 * a * token 长度/hidden layer 的神经元数 * t) 字节
- 选择性重计算的激活内存=token 长度 * batch size * hidden layer 的神经元数量 * 层数(10+24/t) 字节
- 全部重计算的激活内存=2 * token 长度 * batch size * hidden layer 的神经元数量 * 层数 字节
其中：
- a ：transformer 模型中注意力头 (attention heads) 的个数
- t ：张量并行度 (如果无张量并行，则为 1)
对于一个ChatGLM-6B而言，就是：
- token 长度 * batch size * hidden layer 的神经元数量 * 层数 = 2048 * 1 * 4096 * 28 ≈ 0.23GB
- 无重计算的激活内存 = 0.23GB * (10+24/1+5 * 32 * 2048/4096 * 1) = 0.23 * 114 = 26.22G
- 选择性重计算的激活内存 = 0.23GB * (10+24/1) = 7.8G
- 全部重计算的激活内存 = 2 * 0.23GB = 0.46GB
由于重计算的引入也会引起计算成本的增加，具体增加多少取决于选择了多少层进行重计算，但其上界为所有层都额外多了一次前向传播，因此，更新后的前向传播计算成本如下:
2 * token数 * 模型参数 ≤ C（前向传播）≤ 4 * token数 * 模型参数
总结
因为训练大模型时通常会采用AdamW优化器，并用混合精度训练来加速训练，所以训练一个ChatGLM-6B所需的训练总内存为：
训练总内存=模型内存+优化器内存+激活内存+梯度内存 = 12GB + 72GB + 12Gb + 7.8GB = 103GB
将以上内容总结为一个简单的类比（非常粗糙的类比）：TPUv3-8机器，对标八卡V100-16GB版本的机器；TPUv4-8机器，对标四卡A100-40GB版本的机器。
ChatGLM-6B使用了八台TPU v3-8 机器训练，共使用内存为 128 GB，和我们计算的基本一致。
推理总内存 ≈1.2×模型内存 = 1.2 * 12 GB = 14.4GB
推理总内存的值基本上和ChatGLM-6B官方文档一致。