一文带你了解模型量化、剪枝和蒸馏

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Jack20 发表于 2025/09/28 10:38:09 2025/09/28
【摘要】 模型量化、剪枝和蒸馏是三种主流的模型压缩与优化技术,核心目标是在保证模型性能(精度、准确率)的前提下,减小模型体积、降低计算复杂度,使其能在资源受限的设备(如手机、嵌入式设备、边缘终端)上高效部署。一、模型量化(Model Quantization):降低参数精度,减少存储与计算成本核心的原理将模型中高精度的参数(如 32 位浮点数,FP32)转换为低精度格式(如 16 位浮点数 FP16、...
模型量化、剪枝和蒸馏是三种主流的模型压缩与优化技术,核心目标是在保证模型性能(精度、准确率)的前提下,减小模型体积、降低计算复杂度,使其能在资源受限的设备(如手机、嵌入式设备、边缘终端)上高效部署。

一、模型量化(Model Quantization):降低参数精度,减少存储与计算成本

核心的原理

将模型中高精度的参数(如 32 位浮点数,FP32)转换为低精度格式(如 16 位浮点数 FP16、8 位整数 INT8,甚至 4 位、2 位、1 位),利用神经网络对 “噪声” 的容忍性,在精度损失可控的前提下,减少参数存储量和计算量。

关键方法

  1. 训练后量化(Post-Training Quantization, PTQ)
    • 直接对训练好的模型参数进行量化,无需重新训练,操作简单(如 TensorFlow Lite 的量化工具)。
    • 缺点:精度损失可能较大(尤其低至 INT8 以下时),适合对精度要求不高的场景(如简单图像分类)。
  2. 量化感知训练(Quantization-Aware Training, QAT)
    • 在训练过程中模拟低精度量化的误差(如数值截断、舍入),让模型 “适应” 量化带来的噪声,最终输出量化模型。
    • 优点:精度损失小(INT8 量化可保留原模型 95% 以上性能),适合高精度需求场景(如目标检测、医学影像)。

效果与适用场景

  • 压缩效果:FP32→INT8 可减少 75% 存储量(32 位→8 位),计算速度提升 2-4 倍(硬件对整数计算支持更高效)。
  • 典型场景:移动端 AI(如手机拍照的实时美颜、语音识别)、嵌入式设备(如智能家居的图像传感器)。

 

二、模型剪枝(Model Pruning):移除冗余参数,精简模型结构

核心的原理

神经网络存在大量 “冗余参数”(如权重绝对值接近 0 的连接、贡献微小的神经元或层),剪枝通过移除这些冗余部分,在不显著影响性能的前提下,减小模型规模。

关键方法

  1. 非结构化剪枝(Unstructured Pruning)
    • 随机或按阈值移除单个冗余权重(如删除绝对值小于 0.001 的权重),得到稀疏矩阵。
    • 优点:压缩率高(可移除 50%-90% 参数);缺点:稀疏矩阵难以被硬件加速(普通 GPU/CPU 对非连续内存访问效率低)。
  2. 结构化剪枝(Structured Pruning)
    • 按 “结构单元” 移除冗余(如 CNN 的整个卷积核、通道,Transformer 的整个注意力头),保留模型的密集性。
    • 优点:适配硬件加速(如 GPU 的卷积计算优化),部署友好;缺点:压缩率略低(通常移除 30%-60% 参数)。

效果与适用场景

  • 压缩效果:结构化剪枝可减少 40%-60% 计算量,模型体积缩小 30%-50%(如 ResNet50 剪枝后可在嵌入式设备运行)。
  • 典型场景:CNN 模型压缩(如自动驾驶的实时目标检测)、边缘计算设备(如工业机器人的视觉识别)。

 

三、知识蒸馏(Knowledge Distillation):小模型学习大模型的 “知识”

核心的原理

用一个高性能的大模型(教师模型,Teacher Model)指导一个小模型(学生模型,Student Model)训练,让小模型 “模仿” 大模型的行为(不仅是最终输出,还包括中间特征、概率分布等),使小模型在体积小的情况下接近大模型的性能。

关键方法

  1. 基于软标签的蒸馏
    • 教师模型输出 “软标签”(如分类任务中的概率分布,包含类间关系信息,如 “猫” 和 “虎” 的概率接近),学生模型通过学习软标签(而非仅硬标签 “猫”),学到更丰富的知识。
    • 核心损失:蒸馏损失(学生软标签与教师软标签的 KL 散度)+ 任务损失(学生硬标签与真实标签的交叉熵)。
  2. 特征蒸馏
    • 让学生模型的中间层特征(如 CNN 的卷积层输出、Transformer 的隐藏状态)模仿教师模型的对应层特征,保留更深层的任务相关信息。

效果与适用场景

  • 压缩效果:学生模型体积可缩小 10-100 倍,性能接近教师模型(如用 BERT-base 作为教师,蒸馏出的 MobileBERT 在 NLP 任务上性能损失 < 3%,速度提升 5 倍)。
  • 典型场景:NLP 任务(如手机端的语音助手、文本分类)、需要小模型但高性能的场景(如可穿戴设备的健康监测)。

对比一下下

技术 核心优化方向 优势 劣势 典型组合
量化 降低参数精度 实现简单,硬件加速友好 过低精度可能导致性能下降 剪枝 + 量化(先精简结构,再降精度)
剪枝 移除冗余参数 / 结构 直接减少计算量和参数数量 需精细调参避免性能损失 蒸馏 + 剪枝(用教师指导剪枝后的学生)
蒸馏 小模型模仿大模型 性能接近大模型,泛化性好 需要教师模型,训练流程复杂 量化 + 蒸馏(低精度小模型学习大模型知识)

 

总结一下下

  • 量化适合 “降精度提效”,侧重硬件友好性;
  • 剪枝适合 “删冗余精简”,侧重结构优化;
  • 蒸馏适合 “小模型学知识”,侧重性能保留。

实际部署中,三者常结合使用(如先蒸馏得到小模型,再剪枝移除冗余,最后量化至 INT8),在资源受限设备上实现 “小体积、高性能、快速度” 的 AI 应用。

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