Falcon-Edge: 강력한 범용 및 미세 조정 가능한 1.58bit 언어 모델 시리즈 소개

이번 블로그 포스트에서는 BitNet 아키텍처를 기반으로 삼원식 (ternary) 형식으로 제공되는 강력한, 범용적이며 미세 조정 가능한 언어 모델인 Falcon-Edge 시리즈의 주요 특징과 배경을 소개합니다.

BitNet 경험을 바탕으로 Falcon-Edge 는 단일 훈련 프로세스에서 전체 범위의 출력을 제공하는 새로운 사전 학습 패러다임을 도입하고 검증했습니다. 이 포괄적인 접근 방식은 양자화되지 않은 모델, 네이티브 BitNet 모델, 그리고 미세 조정 용도에专门为 설계된 사전 양자화된 BitNet 변형을 모두 생성합니다. 이를 통해 사용자와 개발자는 해당 모델을 특정 응용 프로그램 및 요구 사항에 맞게 정확하게 맞춤 설정할 수 있습니다.

현재 두 가지 크기 (10 억 파라미터와 30 억 파라미터) 로 제공되며, 각 크기는 기본 모델과 지시 명령 튜닝 모델 모두 포함됩니다. Falcon-Edge 시리즈는 Hugging Face 전용 컬렉션에서 확인하실 수 있습니다.

대규모 언어 모델 (LLM) 은 설계상 본질적으로 크고 자원 집약적입니다. 이러한 모델을 에지 장치에 효율적으로 배포하는 수요가 증가함에 따라 모델 압축 연구가 가속화되었습니다. 최근 DeepSeek 및 Llama 4 등의 노력은 FP8 로까지 축소된 정밀도 형식으로 훈련하여 배포 확장성을 개선하는 것을 탐구했습니다. 반면, 최신 최상위 방법들은 대부분 훈련 후 양자화를 강조합니다. BitNet 은 이러한 접근 방식과 대조적으로 근본적으로 다른 패러다임을 제시합니다: 축소 정밀도 훈련은 여전히 부동 소수점 형식을 사용하고, 훈련 후 양자화는 전체 정밀도 훈련 후 가중치를 조정하는 반면, BitNet 은 훈련 중 가장 낮은 정밀도인 삼원식 가중치 ({-1, 0, 1}) 를 사용하여 엔드 투 엔드 초고속 모델 설계를 가능하게 합니다.

이러한 삼원식 가중치는 실제로 눈에 띄게 더 빠르고 놀라울 정도로 메모리 효율적인 "matmul-free" LLM 설계로 가는 길을 열었습니다. 이 혁신적 접근 방식의 주요 과제는 BitNet 모델을 사전 학습하는 것으로, 이는 일반적인 사용자들에게 계산적으로 demanding 하고 비용이 많이 듭니다.

우리의 센터에서 사전 학습 데이터 전략을 배운 것을 활용하여, 약 1.5 테라 토큰에 대한 내부 데이터 혼합으로 모델을 사전 학습했습니다. 우리는 사전 학습에 고전적인 WSD 학습률 스케줄러를 사용했습니다.

우리의 모델 (기본 버전 및 지시 명령 버전) 을 이전 Hugging Face 리더보드 v2 벤치마크에서 평가하고, 유사한 크기의 다른 모델과 비교하여 정규화된 결과를 아래에 보고합니다:

지시 명령 모델을 Microsoft 의 새로운 BitNet 모델과 비교하는 추가 결과 (리더보드 v1):

Falcon-Edge 는 리더보드 v2 작업에서 유사한 크기의 모델과 동등하거나 더 나은 성능을 보여주며, 원하는 도메인에서 강력한 BitNet 모델을 훈련할 수 있고 다른 작업에서도 경쟁력 있는 성과를 낼 수 있음을 보여줍니다.

BitNet 선형 레이어의 추론 공식을 (Python 코드 용도) 자세히 살펴보면:

def activation_norm_quant(x):
scale = 127.0 / x.abs().max(dim=-1, keepdim=True).values.clamp_(min=1e-5)
y = (x * scale).round().clamp_(-128, 127)
...

정규화 활성화 함수 activation_norm_quant 는 활성화를 int8 형식으로 양자화한 후, x_scale 로 나누어 반 정밀도로 다시 계산합니다. 모델이 가짜 8 비트 활성화 양자화로 훈련되었으므로, 이를 근사할 수 있다고 주장합니다:

x_quant, x_scale = activation_norm_quant(x)
x ~= (x_quant / x_scale)

따라서, 양자화 후 모델에 대한 양자화를 수행하는 대신, 양자화된 가중치 뒤에 스케일을 주입하면 비-BitNet 버전의 모델에 대한 충분히 좋은 "근사" 를 얻을 수 있습니다:

def _weight_quant(w):
scale = 1.0 / w.abs().mean().clamp_(min=1e-05)
u = (w * scale).round().clamp_(-1, 1)
...

우리는 bfloat16 변형의 1B 및 3B 기본 모델을 end-to-end 평가로 확인했습니다. 결과는 다음과 같습니다:

bfloat16
모델은 from_pretrained
함수에 revision="bfloat16"
을 전달하여 Hugging Face transformers 를 통해 직접 로드할 수 있습니다:

import torch
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
from trl import SFTTrainer
...

우리의 지식에 따르면, Microsoft 의 최신 릴리스를 제외하고 BitNet 의 이전 릴리스들은 최종 양자화 모델을 출시하는 데만 초점을 맞추어 사용 가능하게 만듭니다. inference 에만 사용할 수 있습니다. Microsoft 의 릴리스와 마찬가지로, 우리는 BitNet 모델의 연구 및 적용 접근성을 확장하기 위해 양자화되지 않은 가중치를 출시합니다. 이를 통해 사용자는 목표 도메인에서 fine-tuning 을 수행하거나 nn.Linear
레이어를 BitnetLinear
레이어로 교체하고 양자화된 모델을 BitNet 형식으로 post-training 으로 양자화하는 경우에만 BitNet 체크포인트의 continuous pre-training 을 수행할 수 있습니다. 가중치가 양자화되지 않은 가중치에 해당하므로, nn.Linear
레이어를 BitnetLinear
레이어로 교체하지 않고 텍스트 생성을 수행하면 garish output 이 발생합니다.

양자화되지 않은 가중치는 Hugging Face 의 transformers 라이브러리를 통해 revision
아르그먼트를 prequantized
로 지정하여 다운로드할 수 있습니다:

import torch
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
model_id = "tiiuae/Falcon-E-1B-Base"
...

이를 통해 커뮤니티의 첫 번째 강력한 1-bit fine-tune 에 대한 생태계를 조성하는 데 도움이 됩니다. 우리는 onebitllms
라는 Python 패키지에서 양자화되지 않은 가중치에 fine-tuning 을 수행하기 위해 필요한 모든 유틸리티 방법을 패키징하여 커뮤니티에게 제공하며, 다음 섹션에서 다루겠습니다.

이번 릴리스에서는 onebitllms

• 가장 강력한 1-bit fine-tune 에 대한 생태계를 조성하는 데 도움이 되는 가벼운 Python 패키지입니다. 좋아하는 LLM fine-tuning 도구에 플러그인으로 연결하여 양자화되지 않은 BitNet 모델을 fine-tuning 할 수 있습니다. 작성 시점에서 onebitllms
  은 다음과 같은 주요 기능을 노출합니다:

• prequantized 모델 체크포인트를 BitNet training 형식으로 변환하여 가장 좋아하는 LLM fine-tuning 프레임워크에 전달할 수 있는 유틸리티 방법. 우리는 현재 Hugging Face 의 trl
  라이브러리와 함께 라이브러리를 테스트했습니다.

• 양자화되지 않은 가중치를 BitNet 형식 및 일반적인
  bfloat16
  형식으로 양자화하는 유틸리티 방법.

• 더 세밀한 제어: Bare
  BitnetLinear
  및 triton 커널을 injectable 및 사용 가능한 pre-training 프레임워크에 사용할 수 있습니다.

현재 이 프레임워크를 통해 full-finetuning 만 지원되며, 이번 릴리스에서는 모델 크기가 상대적으로 작아 BitNet 모델을 위한 Parameter-Efficient Fine-tuning (PEFT) 방법은 upcoming BitNet 모델의 흥미롭고 영향력 있는 open question 입니다.

시작하려면 pip
을 통해 직접 또는 소스로부터 패키지를 설치하고 소스 코드 내부의 examples/
폴더를 확인하세요.

이 패키지를 통해 ternary format LLMs(삼진형 포맷 대형 언어 모델) 연구 개발을 가속화하고, Falcon-Edge 및 기타 미래의 강력한 BitNet 모델을 커뮤니티가 개발하는 많은 파생물을 기대합니다.

이번 릴리스는 다양한 흥미로운 방향을 여는데 도움이 될 것이라고 믿습니다. 가능한 모든 후속 방향 중 현재 우리는 다음 열린 질문들이 BitNet 모델을 가까운 미래에 훨씬 더 큰 영향력을 가질 것이라고 생각합니다:

BitNet 아키텍처를 위한 더 강력한 GPU 추론 커널 작성: bitnet.cpp의 핵심 아이디어를 활용하여, 이번 릴리스가 연구 커뮤니티를 설득하여 GPU 에서 더 빠른 추론을 위해 강력한 BitNet 추론 커널 개발에 집중하도록 할 것입니다. 이를 통해 GPU 의 네이티브 모델보다 더 빠르게 추론할 수 있습니다.
BitNet 미세 조정 (fine-tuning) 을 위한 PEFT 방법 지원: 이는 여전히 탐구되지 않은 연구 질문으로, BitNet 모델에 대해 새로운 가능성을 열 수 있습니다.
Bitnet 체크포인트의 보편성에 대한 더 엄격한 조사: 우리는 단순히 가중치 스케일을 주입하면 descent(non-Bitnet) 체크포인트를 갖게 된다는 것을 관찰하지만, Bitnet 체크포인트와 bfloat16 대비 성능 저하를 최소화하는 데 대해 더 많은 연구가 수행될 수 있다고 믿습니다. 이를 통해 완전히 성능 저하 없이 사용할 수 있습니다.
멀티모달 BitNet 모델: 우리는 이 BitNet 기초 모델과 onebitllms 패키지가 첫 번째 멀티모달 BitNet VLM(비전 언어 모델) 등을 만드는 데 기초 작업으로 사용될 것이라고 기대합니다.
더 최적화된 BitNet 학습 커널: 커널을 작성하기 위해, 우리는 먼저 전역 최대값을 계산한 후 이를 블록 단위로 정규화를 위해 사용하는 두 단계 접근법을 선택했습니다. 이 접근법은 더 효율적인 커널을 작성하는 데 수정할 수 있습니다. 우리의 테스트에서, 비-Bitnet 사전 학습과 BitNet 사전 학습 사이의 오버헤드는 약 20% 로 추정됩니다. 우리는 곧 BitNet 의 학습에 의해 도입된 오버헤드에 대한 더 광범위한 숫자를 발표할 예정입니다.

이 연구가 귀하의 연구 및 작업에 유용하다고 생각하신다면, 우리의 작업을 인용하시오하고, 또한 BitNet 모델 뒤에 있는 모든 기초 작업을 인용해 주시기를 바랍니다:

@misc{tiionebitllms,
title = {Falcon-E, a series of powerful, universal and fine-tunable 1.58bit language models.},
author = {Falcon-LLM Team},
...

더 많은 참조

@misc{ma2025bitnetb1582b4ttechnical,
title={BitNet b1.58 2B4T Technical Report},
author={Shuming Ma and Hongyu Wang and Shaohan Huang and Xingxing Zhang and Ying Hu and Ting Song and Yan Xia and Furu Wei},
...

@misc{,
title={1.58-Bit LLM: A New Era of Extreme Quantization},
author={Mohamed Mekkouri and Marc Sun and Leandro von Werra and Thomas Wolf},
...

@misc{ma2024era1bitllmslarge,
title={The Era of 1-bit LLMs: All Large Language Models are in 1.58 Bits},
author={Shuming Ma and Hongyu Wang and Lingxiao Ma and Lei Wang and Wenhui Wang and Shaohan Huang and Li Dong and Ruiping Wang and Jilong Xue and Furu Wei},
...

@misc{wang2023bitnetscaling1bittransformers,
title={BitNet: Scaling 1-bit Transformers for Large Language Models},
author={Hongyu Wang and Shuming Ma and Li Dong and Shaohan Huang and Huaijie Wang and Lingxiao Ma and Fan Yang and Ruiping Wang and Yi Wu and Furu Wei},
...