-
이 논문의 개요
-
실수 양자화 (Real-value Quantization)의 현주소 (Sec.1, Sec.6로부터)
-
배경 기술 (Sec.2로부터)
-
NVMP4 vs MXFP4 (Sec.3로부터)
-
제안 기법 (Sec.4로부터)
-
성능 평가 (Sec.5, Appendix로부터)
-
결론 (Sec.7로부터)
-
Meta의 연구원에 의해 게시된 실수 양자화 (FP4)에 관한 논문
-
LLM의 대두로 대규모 모델에서 효율적인 추론을 가능하게 하는 저정밀도 포맷에 대한 수요가 증가
-
OCP MX 표준
- 하드웨어 효율성이 뛰어남 - 단, 4bit 형식 (MXFP4)은 정밀도 관점에서 NVIDIA NVFP4에 뒤처져 적용되는 장면이 한정됨
-
이 논문은 상기 문제점에 대해 소프트웨어적으로 해결을 도모하는 기법 두 가지를 제안함
-
Overflow-Aware Scaling (OAS)
- 2블록 스케일링의 유효 다이내믹 레인지 (Dynamic Range)를 크게 함으로써 전체적인 오차를 저감
-
Macro Block Scaling (MBS)
- 이상치 (Outlier)를 더 잘 보존하기 위해, 더 거친 입도 (Granularity)로 높은 정밀도의 스케일링을 할당
-
Overflow-Aware Scaling (OAS)
-
제안 기법의 효과로서 다음을 꼽을 수 있음
- 여러 LLM에 표준적인 다운스트림 벤치마크를 이용한 검증을 실행한 결과, 제안 기법을 적용한 MXFP4와 NVMP4의 엔드 투 엔드 (End-to-End) 정밀도 격차를 평균 약 10%에서 1% 이하로 저감
- GEMM 오버헤드는 평균 6.2%를 달성
-
상기 효과로부터 알 수 있는 점
-
MXFP4가 NVFP4를 대체할 수 있는 실용적인 기법이 될 수 있음
-
MX 시리즈의 하드웨어 효율성 이점을 유지하면서 NVFP4에 가까운 정밀도를 실현
-
양자화 기술 발전의 배경
-
LLM의 등장으로 인공지능 상황은 급격히 변화하며, 다양한 애플리케이션에서 브레이크스루 (Breakthrough)를 견인
-
더 높은 퍼포먼스에 대한 요구가 높아졌으며, 모델 사이즈는 전례 없는 규모로 확장됨
-
양자화는 비트 수를 줄임으로써 이러한 과제를 해결하는 동시에, LLM의 효율적인 전개를 가능하게 함
-
FP4 양자화 포맷의 등장 (2023년)
-
다양한 포맷이 제안되는 가운데, OCP가 제안한 MX가 여러 기업에 의해 채택되어 지지를 얻으며 표준화되어 가고 있음
-
MX에는 8bit, 6bit, 4bit 등 여러 비트 사이즈의 포맷이 존재
-
MX는 8bit, 6bit에서는 데모에 성공했으나, 4bit (MXFP4)는 모델 품질 유지에 과제가 존재
-
4bit의 대항마 NVFP4 등장 (2025년)
-
NVIDIA가 MXFP4보다 높은 표현 충실도 (Fidelity)를 가진 NVFP4를 제안
-
몇몇 연구에서 NVFP4가 모델의 품질을 더 잘 유지한다는 것이 보여짐
-
이 결과로 인해, 모델의 정밀도 요구가 높은 시나리오에서 MXFP4 채택의 큰 장벽이 되고 있음
-
NVIDIA가 MXFP4보다 높은 표현 충실도를 가진 NVFP4를 제안
-
NVFP4는 그 정밀도 유지 성능의 반면 다음과 같은 문제가 발생
- 하드웨어 설계에 여분의 면적이 필요 (전용 칩 탑재에 의한 것)
- 에너지 오버헤드가 발생
-
이를 받아 이 논문에서는 다음을 실시
-
MXFP4와 NVFP4의 표현 충실도와 하드웨어 비용 관점에서의 상세한 비교
-
비교 결과로부터 MXFP4의 한계를 넓히고, 또한 하드웨어 변경은 필요 없이 정밀도를 향상시키는 전략을 제안
-
제안 기법은 MXFP8이나 MXFP6 등 다른 MX 포맷에도 적용 가능한 기법
-
이 논문의 주요 성과
-
MXFP4와 NVFP4의 정밀도 차이가 발생하는 요인인 블록 입도 (Block Granularity)와 제곱 스케일링 정밀도를 특정하고, 그 표현 충실도와 하드웨어 면적의 트레이드오프 (Trade-off)를 정량화
-
하드웨어 변경은 필요 없이 MXFP4의 표현 충실도를 향상시키며, MXFP4 호환 디바이스에 적용 가능한 두 가지 소프트웨어 기술 OAS와 MBS를 제안
-
제안 기법을 구현한 MXFP4가 GEMM 오버헤드를 평균 6.2%로 억제하고, NVFP4에 가까운 표현 충실도 (QSNR 1dB 미만)와 다운스트림 정밀도 (평균 1% 이내)를 달성
-
관련 연구
-
선행 연구에서는 블록 기반의 저정밀도 포맷 개선을 탐구
-
BDR은 짧은 마이크로 지수 (Micro-exponent)를 도입하여 MX 스타일의 포맷을 제안
-
몇몇 방법에서는 인접한 대상값으로부터 정밀도를 재할당함
-
이종 비트 폭의 인터커넥트 지원을 추가하는 등 이상치를 특별하게 다룸
-
이러한 연구 성과를 적용하기 위해서는 GPU에 대한 하드웨어 변경을 필요로 함
-
일반적인 GPU에 대한 전개가 제한됨
-
MX+는 가장 가까운 선행 연구로, MXFP4 상에 블록 최대값의 가수 비트(mantissa bit)를 추가하여 저장하고 온더플라이(on-the-fly) 변환을 통해 GPU 상에서 실행하지만, 다음과 같은 문제가 발생
-
추가적인 희소 GEMM (Sparse GEMM)을 도입하기 때문에 최대 54%의 오버헤드가 발생
-
정밀도는 캘리브레이션(Calibration)과 PTQ를 통해 더욱 향상 가능
-
GPTQ 스타일의 PTQ는 베이스 모델과의 격차를 줄임
-
제안하는 방법론은 PTQ와 QAT의 혜택을 받을 가능성이 있으나, 이는 향후 연구에 맡김
-
Transformer 아키텍처
-
Llama3, Llama 4, Qwen, Deepseek, GPT-OSS 등의 최신 LLM은 Transformer 아키텍처를 기반으로 구축됨
-
그림 1은 이러한 LLM에서 사용되는 디코더 부분의 아키텍처
-
이러한 모델에서 지배적인 계산은 다음과 같음
-
QKV 투영 (Projection)
-
출력 투영 (Output Projection)
-
FFN의 선형층 (Linear Layer)
-
이 논문은 가중치(Weight)와 활성화(Activation)의 양자화를 통해 상기 연산의 효율을 향상시키는 것에 초점을 맞춤
-
Llama3, Llama 4, Qwen, Deepseek, GPT-OSS 등의 최신 LLM은 Transformer 아키텍처를 기반으로 구축됨
-
FP4를 통한 양자화
-
양자화를 통해 가중치와 활성화의 정밀도를 낮추어 추론 효율을 향상시킴
-
일반적인 방법으로서 입도(Granularity, 텐서별, 채널별, 그룹별)와 스케일링 전략(대칭 또는 비대칭)이 서로 다른 다양한 전략을 채택
-
QAT나 PTQ를 채택함으로써 비트 수를 줄이면서도 모델 성능의 최적화가 가능
-
MXFP4나 NVFP4와 같은 최근의 저비트 포맷은 모델 정밀도 유지와 비트 수 감소 사이의 트레이드오프(Trade-off)를 적극적으로 추구
-
주요 FP4 포맷
-
NVFP4: NVIDIA가 개발한 포맷이며, NVIDIA GPU와의 호환성 덕분에 널리 채택됨
-
MXFP4: OCP에 의해 표준화된 포맷이며, 하드웨어 효율이 좋음
-
각 포맷의 특징
-
MXFP4: E2M1의 4bit 데이터 요소와 32개 요소마다 적용되는 공유 E8M0 블록 스케일(Block Scale)의 두 가지 컴포넌트로 구성됨. 리소스를 대폭 절감함으로써 에너지 효율이 높은 배포가 가능
-
NVFP4: E2M1의 4bit 데이터 요소, 16개 요소마다 적용되는 공유 E4M3 FP8 블록 스케일, 범위 제한을 완화하기 위한 텐서별 스케일링 필터의 세 가지 컴포넌트로 구성됨. 높은 표현 충실도(Fidelity)를 실현
-
주요 FP4 포맷
-
하드웨어 대응
-
LLM 내의 연산은 일반 행렬 연산(GEMM) 연산이 중심임
-
그림 3의 텐서 코어(Tensor Core)는 MXFP4, NVFP4에 대응하는 전형적인 아키텍처
-
A와 B의 메모리는 입력 오퍼랜드(Operand) 행렬을 저장
-
C의 메모리는 부분합(Partial Sum) 또는 최종 출력을 저장
-
성능, 소비 전력, 면적의 제약에 따라 인스턴스화된 여러 개의 도트 곱 유닛(DPU, Dot Product Unit)은 대상이 되는 GEMM 연산을 위해 하드웨어 타일 크기를 지정하여 실행
-
분석 방법
-
이 논문에서 표현 충실도를 평가하는 방법으로는 dB 단위로 측정되는 양자화 신호 대 잡음비(QSNR)를 사용함
-
QSNR은 엔드투엔드(End-to-End) 추론 메트릭과 강한 상관관계를 보임
-
다른 선행 연구에서도 포맷 선택의 일시적 분석을 위해 사용되고 있으므로 채택함
-
개별 입력 텐서와 연산 후의 결과(MatMul 출력 등)라는 두 가지 입도에서 QSNR을 계산
-
양자화된 텐서와 양자화 전의 텐서 사이의 MSE를 정규화할 수 있음
-
QSNR이 높을수록 충실도가 높음 (즉, 정밀도가 높음)
-
$A^{BF16}$을 원래의 고정밀도 텐서, $A^{Q}$를 양자화된 텐서라고 하면, QSNR은 다음과 같이 (1), (2)식과 같이 양자화 노이즈에 대한 기준 신호 파워의 로그 비로 정의할 수 있음
이를 통해 최댓값의 오버플로우(Overflow)는 방지할 수 있지만, 작은 값의 표현 범위가 좁아져 많은 값이 0으로 반올림됨 (flush-to-zero)
즉, FP4의 최댓값을 엄격하게 지키는 것보다 블록 전체의 오차 감소를 우선하는 수법이며, 일부 오버플로우를 허용하여 저값 측의 표현 능력을 향상시킴