🌰 Acorn Framework

Big models. Tiny footprint. —— 芥子纳须弥，把大模型装进口袋。

以小搏大的 AI 运行与训练框架：INT4 压缩态常驻 + 原生 AVX2 内核 + 自研 CUDA int4 内核 + KV int8 + 层流式 + 投机解码 + LoRA + AutoBit + 能效治理 + 本地 OpenAI 兼容 API，零依赖核心，全部自研。

⚡ 60 秒看到它跑真模型

pip install acorn-llm          # 零依赖；有 gcc 会自动编译 AVX2 内核
pip install 'acorn-llm[fast]'  # 真实模型（Qwen/LLaMA）需要 NumPy
acorn chat                     # ← 打开本地 AI 聊天 TUI

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  Acorn 本地聊天室 | Qwen3-8B | eco=whisper | CPU
  /exit 退出 · /new 新对话 · /eco 切档 · /spec 投机 · /raw 渲染开关
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你> 1+1等于几？

AI> thinking...
    嗯，用户问的是 1+1 等于几。这是最基础的算术……

    think done

    1+1 等于 2。这是整数加法的基本运算……

实测数据（本机：16 核 CPU / 16.5GB RAM / 无 GPU / 一块 P620）

🧠 这个框架到底做了什么（不是 PPT，全部实测）

📦 安装

pip install acorn-llm              # 零依赖核心（训练栈 / TinyGPT）
pip install acorn-llm[fast]        # + NumPy（真实模型 LLaMA/Qwen 必需，约 50× 提速）
pip install acorn-llm[gpu]         # + PyTorch（GPU int4 内核 / CUDA Graph 后端）

要求 Python ≥ 3.9。有 gcc/cl 时首次运行自动编译原生内核（缓存到 ~/.cache/acorn）；没有编译器也不影响使用（自动回退 NumPy 路径，功能一致、速度较低）。

依赖边界要说清楚：

• 零依赖核心 = autograd / 训练引擎 / TinyGPT / 打包 / 量化 / 内核编译 —— pip install acorn-llm 即可跑通
• 真实模型路径（LLaMA / Qwen 推理、转换、API 服务）需要 NumPy —— 装 [fast] 或 [gpu]（GPU extra 会带上 NumPy 依赖链）
• 缺 NumPy 时会直接给出明确提示（pip install 'acorn-llm[fast]'），而不是在深处报类型错误

💬 TUI 聊天（装完就能用）

acorn chat                                  # 自动搜索本地模型
acorn chat --model-dir ./models/Qwen3-8B    # 指定模型目录
acorn chat --model-dir ./qwen --auto-convert  # 目录里是 safetensors 就地转换
acorn chat --system "你是一个简洁的技术助手"   # 设定人设
acorn chat --gpu                            # 用 CUDA 后端（若有）
acorn chat --eco turbo                      # 全速（风扇起飞）

模型从哪来？（三种方式）

① 直接下载已转换的模型？ —— 没有官方分发，但转换只需一次（10 分钟内完成）。

② 从 ModelScope / HuggingFace 下载原始权重 → 自动转换（推荐）

# ModelScope（国内直连，无需梯子）
mkdir -p models/Qwen2.5-0.5B
curl -L -o models/Qwen2.5-0.5B/model.safetensors \
  "https://modelscope.cn/api/v1/models/Qwen/Qwen2.5-0.5B-Instruct/repo?FilePath=model.safetensors"
curl -L -o models/Qwen2.5-0.5B/tokenizer.json \
  "https://modelscope.cn/api/v1/models/Qwen/Qwen2.5-0.5B-Instruct/repo?FilePath=tokenizer.json"
curl -L -o models/Qwen2.5-0.5B/config.json \
  "https://modelscope.cn/api/v1/models/Qwen/Qwen2.5-0.5B-Instruct/repo?FilePath=config.json"

# 然后二选一：
acorn chat --model-dir models/Qwen2.5-0.5B --auto-convert   # 自动转 + 直接聊

手动转换（可复用、参数自动读 config.json，rope_theta 等超参不会手填错）：

python -m acorn convert --src models/Qwen2.5-0.5B/model.safetensors \
                        --out models/Qwen2.5-0.5B/qwen.acorn

自动从 config.json 读取：层数 / 维度 / 头数 / KV 头 / FFN / 词表 / rope_theta（Qwen2/3 是 1e6！）/ tie_word_embeddings / qk_norm（Qwen3）。 转换是流式的：RAM 峰值 ≈ 单个张量，16GB 内存机器可转 16GB 模型（多分片自动走流式路径）。

HuggingFace 同理，把 URL 换成 https://huggingface.co/Qwen/Qwen2.5-0.5B-Instruct/resolve/main/...。

③ 已有的第三方 .acorn / GGUF？ —— GGUF 暂不支持，请先用 acorn convert（支持 safetensors 系）。

模型目录长什么样

models/Qwen2.5-0.5B/
├── model.safetensors     # 原始权重（可选，--auto-convert 用）
├── config.json           # HF 配置（--auto-convert / convert 自动读它）
├── tokenizer.json        # 必需
└── qwen.acorn            # 转换产物（必需，或由 --auto-convert 生成）

该下载哪个模型？（已验证可跑）

Qwen3 用 QK-Norm 架构，Acorn 已支持（数值 vs 独立参考实现 rel=3.8e-7）； Qwen2/3 的 rope_theta=1e6 会在转换时自动从 config.json 读取（手填 10000 会得到乱码）。

TUI 里的命令

界面说明

• 思考流：模型的 thinking 内容以深灰逐字显示，头部 thinking...，结束切 think done · N 字
• 正文：完整流式 Markdown——标题/列表/引用/代码块结构着色，行内 **粗体** / *斜体* / `代码` / [链接](url) 同样渲染（标记延迟闭合缓冲：纯文本逐字即出，标记闭合即整段着色，未闭合原样保留不吞内容）
• 跨轮复用 KV：每轮只前向增量，历史不重算
• 回答上限：默认 4096 token（--max-tokens / /len N 可调）；自动钳制到上下文剩余额度，不会写越界
• 颜色：自动探测终端能力——不支持 ANSI 的终端（老 conhost / 输出重定向）一个转义都不发，只输出干净文本（markdown 标记会被剥离，不会看到 ** 残留）；强制开色用 ACORN_FORCE_COLOR=1，强制关色用 NO_COLOR=1

think done 的判定规则（不是靠猜）

思维链的结束必须可靠，否则正文会被误吞或被提前吐出。Acorn 用三级判定，从精确到兜底：

设计取向：早切（思考尾部当正文，不可挽回）比晚切（正文短暂灰色，随流纠正）危害更大。 标签容错：thinking 态重复 <think> 静默吞掉；answer 态游离 </think> 吞掉不泄漏；answer 态新 <think> 重新进入思考。

🌐 本地 API（Ollama 风格，OpenAI 兼容）

一条命令把你的模型变成局域网服务，任何 OpenAI 客户端（LangChain / LlamaIndex / Cursor / Continue / 自写脚本）都能直接接：

acorn serve --model-dir ./models/Qwen2.5-0.5B --port 11434
# 或从 safetensors 自动转换后直接起服务
acorn serve --model-dir ./models/Qwen3-8B --auto-convert

用 curl 直接聊（零依赖验证）：

curl http://127.0.0.1:11434/v1/chat/completions \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d '{"model":"qwen","messages":[{"role":"user","content":"1+1等于几？"}],"stream":true}'

服务端默认 --eco whisper（静音档，风扇不转）；要吞吐就 --eco turbo。 纯标准库 http.server 实现，零额外依赖。

🔥 自研 CUDA int4 内核（不装 CUDA Toolkit 也能跑）

acorn/gpu_int4.py 是自己写的 CUDA int4 GEMV/GEMM/gather 内核，不是调 torch eager：

• 编译方式：用 PyTorch wheel 自带的 nvrtc64_*.dll 运行时编译 PTX，无需安装 CUDA Toolkit（不用 nvcc）
• 驱动接入：直接调 nvcuda.dll 驱动 API（cuModuleLoadData / cuLaunchKernel），不依赖 numba
• 内核内容：nibble 在线解包 → __dp4a/FMA 点积 → 共享内存分块 → 多行 GEMM（prefill 友好）
• 数值正确：GEMV/GEMM 相对误差 ≤ 1.3e-7；int4 GPU 模型 vs CPU 模型 prefill+decode rel ≤ 1.4e-5

from acorn import gpu_int4 as GI
print(GI.info())
# {'available': True, 'device': 'Quadro P620', 'cc': (6, 1),
#  'toolchain': 'NVRTC (torch 自带) + CUDA 驱动 API, 无需 nvcc'}

诚实的速度对比（本机 Quadro P620 / CC 6.1 / 4GB VRAM）

0.9.10 内核升级：GEMV/GEMM 改用 8 路在途加载（该内核是访存延迟受限，提高内存级并行才有效）。 变体实测（4096×11008）：逐字节 4 路 ILP 12.0 GB/s → 8 路 ILP 13.9 GB/s；而 uint4 向量化 5.0、x 驻留 shared memory 7.2——在 Pascal 上反而劣化（教训如实记录）。

测量方法：每格 3 轮 × 20 次迭代取最小值（examples/bench_gpu_kernel.py 可复现）。 0.9.10 起 GPU 内核在全部形状反超 CPU 内核（×1.06–×2.22；0.9.9 及之前为 0.7×）。 本机同时有其他程序（含另一个 LLM 运行时）占用 CPU/GPU，实测方差可达 ±40%。

结论必须说清楚：

• 在这张 P620（2016 年 Pascal，1.9 TFLOPS FP32、186 GB/s 显存带宽） 上，自研 GPU int4 内核达 8.8–15.3 GB/s，已全面快于 CPU AVX2 int4 内核，但仍远低于显存带宽理论值——Pascal 无 int4 tensor core，这是架构上限
• torch fp32 因为能用 tensor core（TF32 通路）跑到 52–77 GB/s，仍快于我们的 int4 内核
• GPU int4 内核的核心价值是把 int4 权重常驻显存：0.5B 模型仅占 249 MB 显存（0.5 B/参数），CPU 侧则可把系统内存留给别的任务
• 在现代 GPU（Ampere/Hopper，带 int4 tensor core）上预期会大幅提升 —— 但这一点我们还没有硬件验证，不作为已证实的结论

CPU AVX2 内核（0.9.10 小幅提效 + 一个缓存 bug 修复）

• 点积主循环 32 → 64 值/迭代（8 路累加器）+ 软件预取。严格 A/B（新旧 DLL 同进程交替测量，消除时间漂移）：
  • whisper 2 线程：+1.5 ~ +3.3%；balanced 4 线程：+2.0 ~ +3.8%；turbo 16 线程：±0（已逼近带宽上限）
  • 提升发生在能效档位——同线程数、同功耗包络下的纯每字节效率提升（"温度不提高的提速"）
• 修复内核缓存 bug：编译缓存原本只按 平台_CPU数 命名、不含源码哈希——升级 acorn 后仍加载旧内核 DLL（静默性能回退）。现在缓存名含源码 SHA1，源码升级自动重编

另一组诚实数字（turbo 16 线程，交替 A/B）：4096×14336 达 24.0 GB/s（机器带宽上限 26 GB/s 的 92%）； 而 whisper 2 线程即达 10 GB/s——每线程效率是 16 线程的 3.6 倍，这是 eco 能效治理的数据支撑。

int4 权重常驻显存（gpu_model.py）

from acorn.runtime import load
m = load("models/Qwen2.5-0.5B/qwen.acorn", device="cuda")   # 自动走 GPU int4 路径

• 所有 int4 权重直接住显存（不物化 fp32），0.5B 模型 249 MB
• 完整 LLaMA/Qwen 前向：RMSNorm / RoPE / GQA / SwiGLU / QK-Norm / KV Cache 全部在 GPU
• 与 CPU int4 路径逐 token 数值一致（top-1 相同，logits rel ≤ 1.4e-5）
• ⚠️ P620 只有 4GB 显存：8B 模型 int4 需 4.10 GB，放不下

🖼️ 多模态（视觉塔 + 投影器）

Acorn 支持 LLaVA / Gemma 3 一类"视觉塔 + projector"架构的图像输入：PNG 零依赖解码 → 视觉塔 → projector → 图像 embedding 注入 LLM 的输入序列。

# 1) 转换（LLM 走常规 .acorn；视觉塔走 .mm 旁挂，不重写主文件）
acorn convert --src model.safetensors --out model.acorn \
              --vision-src ./model_dir --vision-preset llava

# 2) 聊天时带图
acorn chat --model-dir ./model_dir --image cat.png
#    会话内也可: /image cat.png

# 3) API（OpenAI 多模态格式）
curl http://127.0.0.1:11434/v1/chat/completions \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d '{"model":"m","messages":[{"role":"user","content":[
        {"type":"text","text":"这是什么?"},
        {"type":"image_url","image_url":{"url":"data:image/png;base64,..."}}]}]}'

诚实限制：

• 只实现通用 ViT/SigLIP 形态的视觉塔；Gemma 3 的 pan-and-scan 多裁剪与 SigLIP resampler 未实现（Gemma 3 需额外适配）
• Gemma 3 的 LLM 侧也不兼容：GeGLU(tanh) 而非 SwiGLU、RMSNorm 用 (1+w)、logit softcapping、滑窗/全局混合注意力 —— 直接加载会静默出错，需先补这几项
• 转换器只搬运张量，不做数值等价验证（需真 checkpoint 对照）
• 视觉塔默认 fp32（0.4B → 1.6 GB），可 --vision-quant 走 int4

🧪 30 秒训一个自己的模型

import acorn

model = acorn.train(corpus=open("my_novel.txt", encoding="utf-8").read(),
                    steps=300, batch_size=12, ctx=64)
acorn.pack(model, "mymodel.acorn")     # INT4 打包
m = acorn.load("mymodel.acorn")
print(m.generate("第一章", 200, temperature=0.8))

训练栈全是自研：矩阵级 autograd（13 个可微节点）· AdamW · warmup + 余弦调度 · 全局范数梯度裁剪 · 数值对拍测试（44+9 位置有限差分）。

LoRA 轻量微调

import acorn
from acorn import lora

model = acorn.train(steps=100)
lora.inject_lora(model, rank=8)          # 冻结基座 + 注入低秩适配器
acorn.train(model=model, corpus="新领域文本…", steps=60)
lora.merge_lora(model)                   # 合并回稠密权重
acorn.pack(model, "tuned.acorn")

真实模型微调（诚实说明）

• 0.5B 级：本机可行（acorn.to_trainable(acorn.load(...)) → LoRA 流程同上）
• 8B 级：fp32 反量化需 32GB 内存，本机不可行；且 LLaMA 路径目前是数值推理路径，尚未接入 autograd 图——这是路线图 M2 项

🖥️ CLI 全表

acorn chat                             # ★ 交互式 TUI 聊天
acorn serve --model-dir ./models/Qwen2.5-0.5B   # ★ 本地 OpenAI 兼容 API
acorn train  --steps 200 --out m.acorn # 训练 + INT4 打包
acorn run    --model m.acorn --stream  # TinyGPT 推理
acorn convert --src X.safetensors --out X.acorn   # 真实模型转换（自动读 config.json）
acorn run-llama --model X.acorn --tokenizer tok.json --prompt "你好" --stream
acorn bench  --model m.acorn           # 基准（吞吐/带宽/规模外推/内核状态）
acorn lora   --model m.acorn --corpus my.txt --steps 150   # LoRA 微调

🧰 Python API 速查

🎛️ 调优菜单（按需叠加，互不冲突）

🏗️ 架构

L5 用户 API      acorn chat / serve / train / pack / load / generate_chat / bench
L4 编排层       AutoBit · LoRA · 剪枝 · 转换器 · 能效治理
L3 运行时        AcornPack 容器 · 层流式调度 · 分页/int8 KV Cache · 投机解码
L2 计算层        微型 autograd(13 节点) · RoPE · SwiGLU · GQA
L1 内核后端      AVX2 int4 GEMM(在线解包+FMA) · 常驻线程池 · CUDA Graph
                 CUDA int4 GEMV/GEMM (NVRTC 运行时编译) · int4 权重常驻显存
L0 算子层        NumPy 加速 + 纯 Python 回退（零依赖）

📁 项目结构

acorn-framework/
├── PLAN.md                 # 总体项目计划（里程碑/风险/验收标准）
├── RUNTIME_PLAN.md         # 运行模型详细计划（格式/内存/量化/API）
├── USAGE.md                # 使用手册
├── assets/                 # Logo（主/深色/favicon/横版字标）
├── acorn/
│   ├── _kernels/           # 原生内核：acorn_int4.c + 自动编译/ctypes 绑定
│   ├── _ops.py             # 张量算子（NumPy 加速 + 纯 Python 回退）
│   ├── _autograd.py        # 微型自动微分（requires_grad 冻结机制）
│   ├── model.py            # TinyGPT（RoPE/因果注意力/MLP）
│   ├── llama.py            # LLaMA/Qwen 架构 + 转换器
│   ├── shard.py            # 多分片流式转换（RAM 峰值 < 1GB）
│   ├── safetensors.py      # 零依赖 safetensors 读写
│   ├── tokenizer.py        # BPE 分词器（字节级 + 增量解码）
│   ├── pack.py             # INT4 量化 + .acorn 容器（mmap 加载）
│   ├── stream.py           # 层流式加载
│   ├── kvcache.py          # fp32 / int8 KV 缓存
│   ├── runtime.py          # 运行时主循环
│   ├── session.py          # 多轮对话（跨轮 KV 复用）
│   ├── chat.py             # 模板/惩罚/停止序列
│   ├── chat_cli.py         # TUI 入口（acorn chat）
│   ├── tui.py              # 终端 UI（思考流 + 流式 Markdown）
│   ├── speculative.py      # 投机解码（Prompt-Lookup）
│   ├── autobit.py          # 动态混合位宽
│   ├── prune.py            # 结构化剪枝
│   ├── lora.py             # LoRA
│   ├── train.py            # 训练引擎（AdamW/裁剪/调度）
│   ├── bench.py            # 性能基准
│   ├── eco.py              # 能效治理
│   ├── gpu.py              # CUDA Graph 后端
│   ├── gpu_int4.py         # 自研 CUDA int4 内核（NVRTC 运行时编译）
│   ├── gpu_model.py        # int4 权重常驻显存的 LLaMA/Qwen GPU 模型
│   ├── vision.py           # 多模态：PNG 解码 / 视觉塔 / 投影器 / 图像注入
│   ├── multimodal.py       # 多模态 checkpoint 转换器（llava/gemma3/clip 预设）
│   ├── server.py           # 本地 OpenAI 兼容 API（零依赖 http.server）
│   └── __main__.py         # CLI
├── examples/               # 演示脚本（hello_acorn / run_qwen3 / bench_* /
│                          #   bench_gpu_kernel / bench_gpu_model / api_test）
└── tests/                  # 105 项自测

🧪 测试与质量保证

python tests/test_seed.py     # 基础（autograd 数值对拍 / 量化 round-trip）
python tests/test_v02.py      # 框架（RoPE/KV Cache/LoRA/CLI）
python tests/test_v03.py      # 内核（AVX2 数值 / 压缩态 / 性能）
python tests/test_v04.py      # 真实模型（LLaMA 数值 / Qwen bias / BPE）
python tests/test_v04b.py     # 端到端流水线
python tests/test_v06.py      # AutoBit
python tests/test_v07.py      # 层流式
python tests/test_v08.py      # KV int8
python tests/test_v09.py      # 真实模型回归（Qwen2.5）
python tests/test_v10.py      # 剪枝 / 稀疏内核
python tests/test_v11.py      # Chat 层 / 投机解码金标准
python tests/test_v12.py      # Qwen3 QK-Norm / 分片转换
python tests/test_v13.py      # 能效治理
python tests/test_v14.py      # GPU int4 内核（数值/速度/模型一致性，无 CUDA 自动跳过）
python tests/test_v15.py      # API 服务健壮性（500 JSON / 依赖边界）
python tests/test_v16.py      # think done 位置（</think> 透传 / 空行兜底门槛）
python tests/test_v17.py      # 流式 Markdown 完整渲染 / 回答上限提示
python tests/test_v18.py      # 颜色能力探测 / 4096 上限 / 上下文钳制
python tests/test_v19.py      # 多模态（PNG 解码/视觉塔/投影器/图像注入）

质量红线（均有测试守护）：

• LLaMA/Qwen 前向 vs 独立参考实现：rel ≤ 3.8e-7
• 投机解码 vs 常规贪心：逐字一致
• 稀疏内核 vs 稠密：diff = 0
• AutoBit 同预算：质量 ↓87% 误差

🗺️ 路线图

⚠️ 已知限制（诚实清单）

• int3 量化已实现但很慢（3-bit 无法 SIMD 化，实测比 int4 慢 4 个数量级），默认不用
• 多模态只覆盖通用 ViT/SigLIP 形态：Gemma 3 的 pan-and-scan 多裁剪、SigLIP resampler 未实现；Gemma 3 的 LLM 侧也不兼容（GeGLU / RMSNorm(1+w) / logit softcapping / 滑窗混合注意力），直接加载会静默出错，需先补这几项
• 多模态转换器不做数值等价验证（只搬运张量），需真 checkpoint 对照
• CUDA Graph 后端在 P620 上仍不及 CPU int4 内核（Pascal 算力弱 + eager 开销）
• 自研 GPU int4 内核在 P620 上 8.8–15.3 GB/s，0.9.10 起全形状快于 CPU AVX2；但仍远低于 186 GB/s 显存理论带宽（Pascal 无 int4 tensor core）；torch fp32 借 tensor core 仍最快（52–77 GB/s）。GPU 路径的核心价值是 int4 权重常驻显存（0.5B 仅 249 MB）
• 8B 模型放不进 4GB 显存的 P620（int4 需 4.10 GB）；且 LLaMA 路径尚未接入 autograd，8B 训练在本机不可行（fp32 反量化 32GB）
• 不支持 GGUF / AWQ / GPTQ 权重，只支持 safetensors 系
• 单机单卡，无分布式训练
• TensorFlow 2 对比：在算子库/编译器/分布式/生态上 Acorn 落后几个数量级；Acorn 的主张限定在「小内存 CPU 推理 + 训推一体 + 零依赖 + 能效治理」这条窄道

🤝 参与

git clone <your-fork> && cd acorn-framework
pip install -e .[fast,dev]
python tests/test_seed.py && python tests/test_v04.py

欢迎提交 PR：新模型架构适配、新内核、基准数据、文档。

📄 License

MIT

pip install acorn-llm
acorn chat            # interactive TUI with a local model
acorn serve           # local OpenAI-compatible HTTP API