微软最新研究：BitNet v2助力LLM实现原生4bit激活值量化，充分挖掘新一代GPU在4bit计算领域的性能潜力

微软在LLM（大语言模型）领域的研究再次取得突破，发布了全新的BitNet v2框架。这一框架实现了1 bit LLM的原生4 bit激活值量化，能够充分利用新一代GPU（如GB200）对4 bit计算的支持能力，从而显著减少内存带宽占用并提升计算效率。

此前，微软曾推出BitNet b1.58框架，将LLM的权重量化至1.58-bit，大幅降低了推理延迟和内存占用等成本。然而，BitNet b1.58的激活值仍为8-bit，无法充分发挥新一代硬件的4 bit计算能力，导致计算环节存在效率瓶颈。此外，研究还发现注意力层和前馈网络层的输入激活值分布接近高斯分布，相对容易量化，但中间状态的激活值存在大量异常值，给低bit量化带来了挑战。

为解决这些问题，微软团队推出了BitNet v2框架，并引入了H-BitLinear模块。该模块在激活量化前应用Hadamard变换，有效重塑了注意力层和前馈网络中尖锐的激活分布，使其更接近高斯分布，显著减少了异常值数量，从而使4 bit激活量化成为可能。

对于权重量化，团队使用per-tensor absmean函数将权重三元量化为{-1, 0, 1}。而对于低bit激活，团队引入了H-BitLinear模块，将其应用于注意力层的权重矩阵Wo和前馈网络（FFN）层的Wdown中。通过Hadamard变换，中间状态分布更接近高斯分布，减少了异常值数量，更适合INT4量化。

在训练策略方面，研究人员采用STE近似梯度，并利用混合精度训练更新参数。在反向传播时，绕过量化中的不可微函数，并利用Hadamard变换矩阵的正交性对梯度进行变换。此外，4 bit激活的BitNet v2可以从8 bit激活版本继续训练，仅需少量数据微调即可忽略性能损失，优化器状态也可继承。

实验结果显示，BitNet v2在不同模型规模（400M、1.3B、3B和7B）上与BitNet b1.58和BitNet a4.8进行了对比。所有模型均使用1.58bit权重训练。结果表明，引入Hadamard变换的BitNet v2（8 bit激活）在各规模模型上的表现优于BitNet b1.58，在7B规模上平均准确率提高了0.61%。当降至4 bit激活时，BitNet v2的困惑度与BitNet a4.8相当，下游任务表现甚至更优。

此外，研究者还对BitNet v2进行了低bit注意力状态的详细实验，采用后RoPE量化处理QKV状态。在3 bit KV缓存的情况下，BitNet v2在3B和7B模型上达到了与全精度KV缓存版本相当的准确率。与后训练量化方法SpinQuant和QuaRot相比，BitNet v2表现更优。消融实验进一步验证了Hadamard变换对低bit激活的关键作用，没有旋转变换则模型会发散。

更多研究细节可参考原论文链接：https：//arxiv.org/pdf/2504.18415。

本文来源： 量子位【阅读原文】