Googleの次世代オープンモデル「Gemma 2」が発表：性能と効率を両立しエッジAIを加速

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Googleの次世代オープンモデル「Gemma 2」が発表：性能と効率を両立しエッジAIを加速

ニュース要点

Googleは、2024年6月25日（JST）に、同社のオープン大規模言語モデル（LLM）ファミリーの次世代版となる「Gemma 2」を発表しました [1][2][3]。Gemma 2は、前世代のGemmaと比較して、大幅な性能向上と推論効率の改善を特徴としています。特に、9Bと2Bの2つのパラメータサイズで提供され、4-bit量子化をネイティブでサポートすることで、より少ないメモリと計算リソースで高品質な推論が可能となり、エッジデバイスやオンデバイスでのAI利用を加速させることが期待されています。

技術的背景

近年、LLMの進化は目覚ましく、その利用はクラウド環境からエッジデバイスへと広がりつつあります。しかし、高性能なLLMは一般的に巨大であり、推論には多大な計算資源とメモリを必要とします。この課題に対処するため、より小さく、より効率的なオープンモデルの開発が活発化しています。Gemmaは、Googleが開発したオープンモデルファミリーとして、研究者や開発者がAI技術にアクセスしやすくすることを目指して2024年2月に発表されました [1]。Gemma 2は、この流れを汲み、より高度な性能と効率を両立させることで、さらに幅広いアプリケーションでのLLM利用を可能にするものです。

軽量LLMの登場は、以下のような技術トレンドを背景にしています。

  • エッジAIの需要増大: スマートフォン、IoTデバイス、組み込みシステムなど、クラウド接続が限定される環境でのAI処理の必要性が高まっています。

  • 推論コストの削減: クラウドベースのLLM利用は高コストになりがちであり、オンプレミスやエッジでの推論は運用コストの削減に繋がります。

  • プライバシーとセキュリティ: データをデバイス内で処理することで、外部への情報漏洩リスクを低減できます。

仕組み

Gemma 2は、新しいアーキテクチャと最適化技術によって、性能と効率を両立させています。

アーキテクチャと最適化（事実）

  • 新しいアーキテクチャ: Gemma 2は、Gemma 1からアーキテクチャを刷新し、特にトランスフォーマーブロックの効率性を高めています。これにより、同等またはそれ以下のパラメータ数で、より高いベンチマークスコアを達成しています [3]。

  • 4-bit量子化のネイティブサポート: Gemma 2は、リリース当初から4-bit量子化を設計段階で考慮しており、これによりモデルのメモリフットプリントと推論時の計算量を大幅に削減できます [1][2]。これは、従来のモデルがロード後に量子化されるのとは異なり、モデル自体が4-bit環境での性能を最大限に引き出すように設計されていることを意味します。

  • 高速な推論: 最適化されたアーキテクチャと量子化により、Gemma 1.1と比較して最大2倍の推論速度を実現しています（特に9Bモデルの場合） [1]。

推論のデータフロー（推測/評価）

Gemma 2の推論プロセスは、一般的なLLMと同様ですが、4-bit量子化の活用により、より効率的なデータ処理が可能です。

flowchart TD
    A["ユーザーアプリケーション (入力)"] --> |テキストプロンプト| B("Gemma 2 SDK / API")
    B --> |リクエスト送信| C{"推論サービス/デバイス"}
    C --> |モデルロード (4-bit量子化モデル)| D["Gemma 2 モデル (GPU/CPUメモリ)"]
    D --> |並列計算| E("トランスフォーマー層")
    E --> |トークン生成| D
    D --> |出力トークン結合| F["結果生成"]
    F --> |レスポンス返却| C
    C --> |結果受信| B
    B --> |ユーザーへ表示| A

    subgraph Gemma 2 推論環境
        C
        D
        E
        F
    end

  1. ユーザー入力: ユーザーアプリケーションは、テキストプロンプトをGemma 2 SDKまたはAPIを通じて入力します。

  2. モデルロード: 推論サービス（例: Vertex AI, Hugging Face Inference Endpoints）またはエッジデバイスは、最適化された4-bit量子化Gemma 2モデルをメモリにロードします。この際、通常の16-bitや32-bitモデルと比較して、使用メモリ量が大幅に削減されます。

  3. 推論実行: モデルは入力プロンプトに基づき、GPUやCPU上でトランスフォーマー層を介して並列に計算を実行し、次のトークンを予測・生成します。

  4. 結果出力: 生成されたトークンが結合され、完全なレスポンスとしてユーザーアプリケーションに返却されます。

インパクト

Gemma 2の登場は、AI業界全体に大きなインパクトを与えると評価されます。

開発者コミュニティへの影響（推測/評価）

  • アクセシビリティの向上: 高性能かつ軽量なモデルがオープンソースとして提供されることで、より多くの開発者が独自のAIアプリケーションを開発しやすくなります。

  • イノベーションの加速: 研究者やスタートアップは、クラウドAPIに依存することなく、Gemma 2を基盤として新しいAIモデルやサービスを自由に構築・実験できます。

エッジAI・オンデバイスAIの普及（推測/評価）

  • 新機能の実現: スマートフォン、ウェアラブルデバイス、産業用IoTデバイスなど、リソースが限られた環境で高度な言語処理機能が実装可能になります。これにより、リアルタイム翻訳、オフラインアシスタント、パーソナライズされたコンテンツ生成など、これまで困難だったユースケースが実現します。

  • コスト効率の改善: 推論をエッジデバイスで行うことで、クラウド利用に伴うデータ転送費用やAPI利用料を削減し、スケーラビリティと経済性を向上させます。

競合への影響（推測/評価）

  • オープンモデル競争の激化: Llamaシリーズなど他のオープンモデルとの競争が激化し、より高性能で効率的なモデルの開発が加速する可能性があります。

  • Googleのエコシステム強化: Vertex AIなどのGoogle Cloud製品との連携を強化することで、開発者の囲い込みとクラウドサービス利用促進に貢献します。

今後

Gemma 2の発表は、オープンモデルとエッジAIの未来において重要な一歩となります。

  • 多様な派生モデルの登場: Gemma 2をベースにした、特定のタスクに特化したファインチューニングモデルや、さらに軽量化されたモデルがコミュニティから多数登場することが予想されます。

  • ハードウェアとの連携強化: NVIDIAやQualcommなどのチップベンダーは、Gemma 2のような軽量モデルの推論を最適化するハードウェアを開発・提供することで、エッジAIの性能をさらに引き上げることが期待されます。

  • オンデバイスAIのユースケース拡大: プライバシー保護を重視する医療、金融、個人情報を含むアプリケーション分野でのオンデバイスAIの採用が加速するでしょう。

まとめ

Googleが2024年6月25日（JST）に発表したGemma 2は、オープンLLMの性能と効率性の新たなベンチマークを打ち立てました。特に9Bと2Bのモデルサイズと4-bit量子化のネイティブサポートは、開発者コミュニティに大きな恩恵をもたらし、エッジAIやオンデバイスAIの普及を強力に後押しします。今後、Gemma 2を基盤とした革新的なアプリケーションが多数登場し、AI技術の民主化と社会実装がさらに進展することが期待されます。

Gemma 2モデルの推論コード例 (Python + Hugging Face Transformers)

Gemma 2モデルは、Hugging Face Transformersライブラリを通じて簡単に利用できます。以下のコードは、4-bit量子化を用いてGemma 2 9B Instruction Tunedモデルをロードし、テキストを生成する概念的な例です。

# Gemma 2 9B モデルの推論例 (概念コード)

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM
import torch

# 前提条件:


# - Python環境にtransformers, torch, bitsandbytes (4-bit量子化用) がインストールされていること。


#   pip install transformers torch bitsandbytes accelerate


# - GPU環境が推奨されますが、CPUでも動作可能です（速度は大幅に低下）。

# モデルとトークナイザのロード


# Hugging Face上のGemma 2 9B instruction-tunedモデルID

model_id = "google/gemma-2-9b-it" 
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)

# 4-bit 量子化を有効にしてモデルをロード


# load_in_4bit=True を設定すると、bitsandbytesライブラリを使用してモデルが4-bit量子化された状態でロードされます。


# これにより、メモリフットプリントが大幅に削減されます。


# device_map="auto" は、利用可能なデバイス（GPUなど）にモデル層を自動的に割り当てます。

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_id,
    torch_dtype=torch.bfloat16, # 計算精度としてbfloat16を使用
    device_map="auto",
    load_in_4bit=True           # 4-bit 量子化を有効にする
)

# プロンプトの準備


# Gemmaモデルはチャットテンプレートを使用することが推奨されます。

prompt = "日本の首都はどこですか？"
messages = [
    {"role": "user", "content": prompt}
]
input_ids = tokenizer.apply_chat_template(
    messages, 
    add_generation_prompt=True, 
    return_tensors="pt"
).to(model.device) # モデルがロードされているデバイスにテンソルを移動

# テキスト生成


# max_new_tokens: 生成する新しいトークンの最大数


# do_sample: Trueにするとサンプリングベースの生成（多様な応答）


# temperature, top_k, top_p: サンプリングの多様性を制御するパラメータ

outputs = model.generate(
    input_ids,
    max_new_tokens=100,
    do_sample=True,
    temperature=0.7,
    top_k=50,
    top_p=0.95,
    attention_mask=input_ids.attention_mask # attention_maskは必須
)

# 生成結果のデコード


# skip_special_tokens=True で特殊トークン（例: EOSトークン）を除外

response = tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
print(f"質問: {prompt}")
print(f"回答: {response}")

# 計算量 (Big-O notation):


# トランスフォーマーモデルの推論時間は、生成するトークン数 (L_gen)、入力シーケンス長 (L_input)、


# およびモデルの次元 (D_model, 例: 隠れ層のサイズ) に依存します。


# 一般的に、アテンションメカニズムの計算は O((L_input + L_gen)^2 * D_model) に近いですが、


# 最適化されたデコーディング（キー・バリューキャッシュの使用など）により、


# 各トークン生成ステップでは O(L_current * D_model) となり、


# 全体としては O(L_gen * L_current * D_model) に近いとされます（L_currentは現在のシーケンス長）。


# Gemma 2は特に推論効率が改善されており、実用的な処理速度が期待されます。

# メモリ条件:


# 4-bit 量子化により、モデルパラメータのメモリフットプリントが大幅に削減されます。


# 例: 9Bモデルのパラメータは、通常（bfloat16）で約18GB必要ですが、


# 4-bit量子化により約4.5GBに削減されます。


# ただし、これに加えて、アクティベーション（中間状態）やKVキャッシュにもメモリが必要です。


# 推論バッチサイズやシーケンス長に応じて必要なメモリ量は変動します。


# 大規模な入力やバッチ処理を行う場合は、十分なVRAM（GPUメモリ）が引き続き重要です。

参照元 [1] Google Cloud Blog. “Gemma 2 is here: Faster, more capable, and available today”. (2024年6月25日). https://cloud.google.com/blog/products/ai-ml/gemma-2-is-here-faster-more-capable-and-available-today [2] Hugging Face Blog. “Google releases Gemma 2: State-of-the-art open models for the developer community”. (2024年6月25日). https://huggingface.co/blog/gemma-2 [3] Google DeepMind Blog. “Gemma 2: New generation of open models”. (2024年6月25日). https://deepmind.google/discover/blog/gemma-2-new-generation-of-open-models/

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