Where Should Optimizer State Live? Tiered State Allocation for Memory-Efficient Mixture-of-Experts Training

Nuemaan Malik

arXiv:2607.19058 · 2026-07-26 공개 · arXiv · PDF

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Abstract

Optimizer state is the largest single line item in the memory budget of mixture-of-experts (MoE) training: on a 6.78B-parameter MoE language model, AdamW keeps 50.6 GB of first and second moments to update 12.6 GB of bfloat16 weights. We study SkewAdam, an optimizer built on the observation that the three parameter populations of an MoE - the dense backbone, the experts, and the router - differ enough in size and gradient statistics that they should not receive the same state. SkewAdam keeps float32 momentum plus a factored second moment for the backbone (5% of parameters), a factored second moment alone for the experts (95%), and an exact second moment for the router (<0.01%). The resulting state occupies 1.29 GB, 2.6% of AdamW's, and peak training memory falls from 81.4 GB to 31.3 GB, within the budget of a 40 GB accelerator. In a controlled comparison from identical initializations over 82M tokens, SkewAdam reaches validation perplexity 108.4, ahead of AdamW (126.8), Muon (120.2), and Lion (393.7), and settles router load balance to within 1% of its uniform floor. The allocation is not what earns that perplexity: a tier ablation matches it with twenty times the state, and Adafactor, which shares the factored estimator but drops momentum, plateaus 40 points behind. The tiers buy memory at no cost to accuracy; the accuracy comes from keeping momentum, which a uniform optimizer shares too. Sweeping the baselines' learning rates narrows but does not close the gap: the best tuned AdamW reaches 118.5, tuned Adafactor 139.7. Where optimizer state lives, these results suggest, matters at least as much as how much of it there is.

한국어 요약

한 줄 요약

SkewAdam은 MoE 모델의 파라미터 집단별 특성에 따라 최적화 상태를 분류하여 메모리 효율성을 97.4% 개선하고 성능 저하 없이 학습을 수행한다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

기존 최적화기(예: AdamW)는 MoE의 파라미터 집단(백본, 전문가, 라우터)에 관계없이 동일한 메모리 상태를 할당한다. 그러나 SkewAdam은 이들 집단이 크기와 그라디언트 통계에서 차이가 크므로, 최적화 상태도 다르게 할당해야 한다는 통찰을 바탕으로 설계되었다. 백본(5%)은 float32 모멘텀과 요인화된 2차 모멘트를, 전문가(95%)는 요인화된 2차 모멘트만, 라우터(<0.01%)는 정확한 2차 모멘트를 할당함으로써 메모리 사용량을 1.29 GB로 줄인다. 이는 AdamW의 50.6 GB 대비 97.4%의 절감이다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

SkewAdam은 MoE 모델의 메모리 효율성 문제를 해결하면서도 정확도를 유지하는 설계 원칙을 제시한다. 기존 최적화기의 동일한 상태 할당 방식은 MoE의 구조적 특성을 무시했으며, SkewAdam은 이를 개선한 첫 사례이다. 그러나 이 연구는 단일 GPU 환경에서 수행되었으며, 대규모 분산 학습 환경에서의 효과는 추가 실험 필요. 또한, 다른 MoE 아키텍처(예: top-k routing 외)에 대한 일반화 가능성도 명시되지 않음.

실용적 활용

SkewAdam은 대규모 MoE 언어 모델 학습 시 GPU 메모리 제약을 완화할 수 있어, 고성능 컴퓨팅 자원이 제한된 클라우드 환경이나 모바일 디바이스에서의 모델 훈련에 유용하다. 또한, 라우터의 정확한 2차 모멘트 유지로 인한 로드 밸런스 개선은 분산 학습 환경에서도 적용 가능하다.