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常见的 AI 模型格式

发布日期：2025-03-31 21:04:27 浏览次数： 1560 作者：Hugging Face

过去两年，开源 AI 社区一直在热烈讨论新 AI 模型的开发。每天都有越来越多的模型在上发布，并被用于实际应用中。然而，开发者在使用这些模型时面临的一个挑战是 模型格式的多样性。

在本文中，我们将探讨当下常见的 AI 模型格式，包括:

GGUF
PyTorch
Safetensors
ONNX

我们将分析每种格式的 优缺点，并提供 使用建议，帮助你选择最适合的格式。

GGUF

GGUF 最初是为项目开发的。GGUF 是一种二进制格式，旨在实现快速的模型加载和保存，并易于阅读。模型通常使用 PyTorch 或其他框架开发，然后转换为 GGUF 格式以与 GGML 一起使用。

随着时间的推移，GGUF 已成为开源社区中共享 AI 模型最流行的格式之一。它得到了许多知名推理运行时的支持，包括、和。

目前，GGUF 主要用于语言模型。虽然也可以将其用于其他类型的模型，例如通过实现的扩散模型，但这并不像在语言模型中的应用那样普遍。

GGUF 文件包含以下部分:

一个以键值对组织的元数据部分。该部分包含有关模型的信息，例如其架构、版本和超参数。
一个张量元数据部分。该部分包括模型中张量的详细信息，例如它们的形状、数据类型和名称。
最后，一个包含张量数据本身的部分。

GGUF 格式结构图 Diagram by(GGUF v3)

GGUF 格式和 GGML 库还提供了灵活的 量化方案，能够在保持良好精度的同时实现高效的模型存储。一些最常见的量化方案包括:

Q4_K_M: 大多数张量被量化为 4 位，部分张量被量化为 6 位。这是最常用的量化方案。
IQ4_XS: 几乎所有张量都被量化为 4 位，但借助重要性矩阵。该矩阵用于校准每个张量的量化，可能在保持存储效率的同时提高精度。
IQ2_M: 类似于 IQ4_XS，但使用 2 位量化。这是最激进的量化方案，但在某些模型上仍能实现良好的精度。它适用于内存非常有限的硬件。
Q8_0: 所有张量都被量化为 8 位。这是最不激进的量化方案，提供几乎与原始模型相同的精度。

让我们回顾一下 GGUF 的优缺点:

优点:

简单: 单文件格式易于共享和分发。
快速: 通过与 mmap() 的兼容性实现模型的快速加载和保存。
高效: 提供灵活的量化方案。
便携: 作为一种二进制格式，无需特定库即可轻松读取。

缺点:

大多数模型需要从其他格式 (如 PyTorch、Safetensors) 转换为 GGUF。
并非所有模型都可转换。部分模型不受 llama.cpp 支持。
模型保存为 GGUF 格式后，修改或微调并不容易。

GGUF 主要用于生产环境中的 模型服务，其中快速加载时间至关重要。它也用于开源社区内的 模型共享，因为其格式简单，便于分发。

有用资源:

项目，提供了将 HF 模型转换为 GGUF 的脚本。
空间允许在不下载到本地的情况下将模型转换为 GGUF 格式。
和支持通过 ollama run 命令运行 HF Hub 上的任何 GGUF 模型。

PyTorch (.pt/.pth)

.pt/.pth 扩展名代表 PyTorch 的默认序列化格式，存储包含学习参数 (权重、偏置) 、优化器状态和训练元数据的模型状态字典。

PyTorch 模型可以保存为两种格式:

.pt : 此格式保存整个模型，包括其架构和学习参数。
.pth : 此格式仅保存模型的状态字典，其中包括模型的学习参数和一些元数据。

PyTorch 格式基于 Python 的模块，该模块用于序列化 Python 对象。为了理解 pickle 的工作原理，让我们看以下示例:

import pickle
model_state_dict = { "layer1": "hello", "layer2": "world" }
pickle.dump(model_state_dict, open("model.pkl", "wb"))

The pickle.dump() 函数将 model_state_dict 字典序列化并保存到名为 model.pkl 的文件中。输出文件现在包含字典的二进制表示:

要将序列化的字典加载回 Python，我们可以使用 pickle.load() 函数:

import pickle
model_state_dict = pickle.load(open("model.pkl", "rb"))
print(model_state_dict)
# Output: {'layer1': 'hello', 'layer2': 'world'}

如你所见，pickle 模块提供了一种简单的方法来序列化 Python 对象。然而，它也有一些局限性：

安全性: 任何东西都可以被 pickle，包括恶意代码。如果序列化数据未经过适当验证，这可能会导致安全漏洞。例如，Snyk 的这篇文章解释了。
效率: 它不支持延迟加载或部分数据加载。这可能导致在处理大型模型时 加载速度慢 和 内存使用率高。
可移植性: 它是特定于 Python 的，这使得与其他语言共享模型变得具有挑战性。

如果你仅在 Python 和 PyTorch 环境中工作，PyTorch 格式可能是一个合适的选择。然而，近年来，AI 社区一直在转向更高效和安全的序列化格式，例如 GGUF 和 Safetensors。

有用资源:

关于保存和加载模型。
项目，提供了一种将 PyTorch 模型转换为 .pte 的方法，这些模型可在移动和边缘设备上运行。

Safetensors

由 Hugging Face 开发的解决了传统 Python 序列化方法 (如 PyTorch 使用的 pickle) 中存在的安全性和效率问题。该格式使用受限的反序列化过程来防止代码执行漏洞。

一个 safetensors 文件包含:

以 JSON 格式保存的元数据部分。该部分包含模型中所有张量的信息，例如它们的形状、数据类型和名称。它还可以选择性地包含自定义元数据。
张量数据部分。

优点:

安全: Safetensors 采用受限的反序列化过程来防止代码执行漏洞。
快速: 它支持延迟加载和部分数据加载，从而可以加快加载速度并降低内存使用率。这与 GGUF 类似，你可以使用 mmap() 映射文件。
高效: 支持量化张量。
可移植：它设计为跨编程语言可移植，使得与其他语言共享模型变得容易。

缺点:

量化方案不如 GGUF 灵活。这主要是由于 PyTorch 提供的量化支持有限。
需要 JSON 解析器来读取元数据部分。这在处理像 C++ 这样的低级语言时可能会出现问题，因为这些语言没有内置的 JSON 支持。

注意：虽然在理论上元数据可以保存在文件中，但在实践中，模型元数据通常存储在一个单独的 JSON 文件中。这既可能是优点也可能是缺点，具体取决于使用场景。

safetensors 格式是 Hugging Face 的库使用的默认序列化格式。它在开源社区中广泛用于共享、训练、微调和部署 AI 模型。Hugging Face 上发布的新模型都以 safetensors 格式存储，包括 Llama、Gemma、Phi、Stable-Diffusion、Flux 等许多模型。

有用资源：