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Python 量化感知训练(QAT) vs PTQ 的效果

舞夢輝影

舞夢輝影

发布时间:2026-02-24 20:55:02

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来源于php中文网

原创

qat精度通常高于ptq,但仅在模型对量化误差敏感(如含swish/gelu、小卷积核、尖锐输出分布)时优势明显;其本质是训练中引入可学习的模拟量化节点使模型适应噪声,需正确配置qconfig、插入fakequantize、启用observer并最终调用convert。

python 量化感知训练(qat) vs ptq 的效果

QAT 比 PTQ 效果好,但只在模型对量化误差敏感时才明显

QAT(Quantization-Aware Training)在绝大多数情况下比 PTQ(Post-Training Quantization)精度更高,尤其当模型含大量非线性结构(如 Swish、GeLU)、小卷积核(1×1 / 3×3)、或输出分布尖锐(如 softmax 后 logits)时。这不是因为 QAT “更高级”,而是它让模型在训练过程中“适应”了量化噪声——梯度能流经模拟量化节点,权重和激活的 scale/zero_point 实际参与优化。

实操建议:

  • 先跑一遍 torch.quantization.convert(PTQ),看 top1_acc 是否掉点
  • 如果掉点 > 1%,尤其在轻量模型(如 MobileNetV3-small、EfficientNet-Lite)上,QAT 值得投入;但别指望它把一个已过拟合的 FP32 模型“救回来”
  • QAT 不是万能补丁:如果原始 FP32 模型本身 val_acc 就只有 72%,QAT 很难拉到 75% 以上

QAT 的关键操作:必须插入 torch.quantization.FakeQuantize 并调用 model.qconfig

QAT 不是“训练完再量化”,而是在训练图里插入可学习的模拟量化节点。PyTorch 的核心机制是靠 qconfig 控制哪些层插入 FakeQuantize,以及用什么策略(比如 torch.quantization.default_qconfig 对称量化权重 + 非对称量化激活)。

常见错误现象:

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  • 训完没调用 torch.quantization.convert(model) → 输出仍是 float 模型,没真正量化
  • 训练时忘了 model.train() 后调用 model.apply(torch.quantization.enable_observer) → observer 不收集统计,scale 算不准
  • torch.quantization.get_default_qat_qconfig('qnnpack') 却部署到 ARM CPU → 后端不支持,运行时报 RuntimeError: quantized::conv2d_relu is not supported

参数差异注意:observer 类型影响最终 scale 精度(MinMaxObserver 易受 outlier 干扰,MovingAverageMinMaxObserver 更稳);fake_quantquant_min/quant_max 必须与后端一致(如 int8 要设为 -128/127)

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PTQ 在无校准数据时会崩,QAT 则完全依赖训练数据质量

PTQ 需要一组 representative 数据(哪怕只是 100 张图)来校准 activation 的分布;没有它,torch.quantization.calibrate 会用初始 batch 的 min/max 直接定 scale,极易被异常值带偏。QAT 不需要单独校准,但它把所有压力转移到训练数据上:如果训练集里缺乏边缘 case(比如低光照、模糊、小目标),QAT 模型在这些场景下的量化误差会放大,甚至比 PTQ 更差。

使用场景判断:

  • 你有完整训练 pipeline 和算力 → 优先试 QAT,但记得用验证集 early stopping,防止过拟合量化噪声
  • 你只有冻结模型 + 50 张测试图 → 只能 PTQ,且务必用 torch.quantization.MovingAverageMinMaxObserver 多跑几轮 batch,别信单次 calibrate
  • 你用 torchvision.models.quantization 里的预置模型(如 mobilenet_v2_quantize)→ 它们本质是 PTQ,别误以为是 QAT

QAT 模型导出后不等于“能直接跑”,backend 兼容性比想象中更脆

PyTorch QAT 训练完得到的是一个 fake-quant 模型,torch.quantization.convert 后生成的是真正的 int8 模型,但它的算子支持高度依赖 backend。比如 quantized::linearqnnpack 下可用,在 fbgemm 下可能报错;某些 fused op(如 quantized::conv2d_relu)在 ONNX 导出时会被拆成多个节点,导致推理引擎无法识别。

性能与兼容性影响:

  • torch.backends.quantized.engine = 'qnnpack' 训练,就别想在服务器上用 fbgemm 加速 —— scale/zero_point 初始化逻辑不同,结果不一致
  • 导出 ONNX 时,必须用 torch.onnx.export(..., operator_export_type=torch.onnx.OperatorExportTypes.ONNX_ATEN_FALLBACK),否则 quantized:: 算子会丢失
  • TensorRT 8.6+ 支持 PyTorch QAT 导出的 ONNX,但要求所有 Conv2dpadding 是 tuple,不能是 int;否则解析失败,报 Assertion failed: tensors.count(outputName)

最常被忽略的一点:QAT 模型的 forward 里如果有 Python 控制流(如 if x.sum() > 0:),torch.quantization.convert 会静默跳过该分支的量化,运行时可能触发 float fallback,精度骤降且难以 debug

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