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調(diào)教LLaMA類模型沒那么難,LoRA將模型微調(diào)縮減到幾小時

深度學習自然語言處理 ? 來源:機器之心 ? 2023-05-28 10:58 ? 次閱讀
選自Lightning AI

作者:Sebastian Raschka
機器之心編譯
編輯:趙陽

LoRA 微調(diào)方法,隨著大模型的出現(xiàn)而走紅。

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最近幾個月,ChatGPT 等一系列大語言模型(LLM)相繼出現(xiàn),隨之而來的是算力緊缺日益嚴重。雖然人人都想打造專屬于自己的大模型,但是能負擔得起上億參數(shù)模型訓練的機構卻寥寥無幾。在快速發(fā)展的人工智能領域,以高效和有效的方式使用大型語言模型正變得越來越重要。LoRA(Low-Rank Adaption,低秩自適應) 作為微調(diào) LLMs 一種比較出圈的技術,其額外引入了可訓練的低秩分解矩陣,同時固定住預訓練權重,從而大大減少了下游任務的可訓練參數(shù)數(shù)量。本文中,來自 Lightning AI 首席人工智能教育家 Sebastian Raschka 將帶你了解如何以高效的方式用 LoRA 來微調(diào) LLM。下面是全文內(nèi)容。為什么要進行微調(diào)?預訓練大語言模型通常被稱為基礎模型,這樣稱呼的原因是:大語言模型在各種任務中表現(xiàn)良好,可以將它們用作對目標任務進行微調(diào)的基礎。正如 Sebastian Raschka 在上一篇博文《Understanding Parameter-Efficient Finetuning of Large Language Models: From Prefix Tuning to LLaMA-Adapters》中所討論的,微調(diào)能夠使模型適應目標域和目標任務。盡管如此,大模型在計算上的成本可能非常昂貴 —— 模型越大,更新其網(wǎng)絡層的成本就越高。如果不想將網(wǎng)絡中所有的層都進行更新,可以使用諸如前綴微調(diào)和適配器之類的高效調(diào)參方法。如今,有一種更流行的微調(diào)技術:Hu 等人提出的低秩自適應(LoRA)。什么是 LoRA?它是如何工作的?它與其他流行的微調(diào)方法相比如何?本文將回答所有這些問題。2fca119e-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png提高權重更新效率論文《 LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models》提出將權重變化 ΔW 分解為秩較低的表示。(LoRA 不會直接分解矩陣,而是通過反向傳播來學習分解的矩陣)。在仔細研究 LoRA 之前,我們先簡要解釋一下規(guī)則微調(diào)期間的訓練程序。首先是權重變化 ΔW。假設 W 表示給定神經(jīng)網(wǎng)絡層中的權重矩陣。然后,使用常規(guī)反向傳播,我們可以獲得權重更新 ΔW,它通常被計算為損失乘以學習率的負梯:2fe9b292-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png然后,得到 ΔW 后,原始權重按如下公式更新:W'=W+ΔW。如下圖所示(為了簡單起見,省略了偏置矢量)。或者,我們可以保持權重更新矩陣分離,并按如下公式計算輸出:h=Wx+ΔWx:2ff80220-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png

其中 x 表示輸入,如下所示:

301ac6de-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png ?當在神經(jīng)網(wǎng)絡中訓練全連接(即 dense)層時,如上所示,權重矩陣通常具有全秩,這意味著矩陣不具有任何線性相關(即冗余)的行或列。相比之下,與全秩相比,低秩意味著矩陣具有冗余的行或列。 因此,盡管預訓練模型的權重是滿秩矩陣,但根據(jù) Aghajanyan 等人的說法,LoRA 的作者指出預訓練的大型語言模型在適應新任務時具有較低的內(nèi)在維度。低內(nèi)在維度意味著數(shù)據(jù)可以由低維度空間有效地表示或近似,同時保留其大部分基本信息或結構。換句話說,這意味著可以將適應任務的新權重矩陣分解為低維(較?。┚仃嚕粫G失太多重要信息。例如,假設 ΔW 是 A×B 維權重矩陣的權重更新矩陣,這個權重更新矩陣可以分解為兩個較小的矩陣:ΔW=W_A W_B,其中 W_A 是 A×r 維矩陣,W_B 是 r×B 維矩陣。在這里,我們保持原始權重 W 凍結,并且只訓練新的矩陣 W_A 和 W_B。如下圖所示。

30208e20-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png

選擇秩上圖中的 r 是超參數(shù),指定用于自適應的低秩矩陣的秩。r 越小,低秩矩陣越簡單,在自適應過程中需要學習的參數(shù)越少,訓練就更快,計算需求會相應的減少。然而,r 變小的弊端是,低秩矩陣捕獲任務特定信息的能力降低。這可能導致較低的自適應質(zhì)量,并且與較高的 r 相比,模型在新任務上可能表現(xiàn)不佳??傊?LoRA 中確定 r 的取值,需要在模型復雜性、自適應能力和擬合不足或擬合過度的風險之間進行權衡。因此,重要的是用不同的 r 值進行實驗,以找到正確的平衡,從而在新任務中滿足所需的性能。LoRA 實戰(zhàn)LoRA 的使用很直接,可以將其視為 LLM 中全連接層的前向傳遞修正版。偽代碼如下所示:

302f787c-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png

在上面的偽代碼中,alpha 是一個縮放因子,用于調(diào)整組合結果的大?。ㄔ寄P洼敵黾由系椭茸赃m應)。這平衡了預訓練模型的知識和新的任務特定適應 —— 默認情況下,alpha 通常設置為 1。還要注意,當 W_A 被初始化為小的隨機權重時,W_B 被初始化為 0,從而使得30670116-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png,這意味著需要從原始權重開始訓練。參數(shù)效率接下來說一說最棘手的問題:如果引入新的權重矩陣,參數(shù)如何才能有效?新的矩陣 W_A 和 W_B 可以非常小。例如,假設 A=100,B=500,那么 ΔW 的大小為 100×500=50000。如果將其分解為兩個較小的矩陣,一個 100×5 維矩陣 W_A 和一個 5×500 維矩陣 W_B。這兩個矩陣總共只有 5×100+5×500=3000 個參數(shù)。減少推理開銷在實踐中,如果在如上所示的訓練后保持原始權重 W 以及矩陣 W_A 和 W_B 處于分離狀態(tài),推理過程中就會額外產(chǎn)生效率損失,因為引入了額外的計算步驟。相反可以在訓練后通過 W’=W+W_A?W_B 更新權重,這類似于前面提到的 W’=W+ΔW。然而,保持權重矩陣 W_A 和 W_B 分離也可能有些優(yōu)勢。例如,假設希望保留預訓練的模型作為各種客戶的基礎模型,并且希望從基礎模型開始為每個客戶創(chuàng)建一個微調(diào)的 LLM。在這種情況下,就不需要為每個客戶存儲完整的權重矩陣 W’。不然存儲模型的所有權重 W’=W+W_A W_B 對于 LLM 來說可能非常大,因為 LLM 通常具有數(shù)十億到數(shù)萬億的權重參數(shù)。因此,可以保留原始模型 W,只需要存儲新的輕量級矩陣 W_A 和 W_B。用具體的數(shù)字來說明的話,一個完整的 7B LLaMA checkpoint 需要 23 GB 的存儲容量,而選擇 r=8 的秩,則 LoRA 權重可以小到 8 MB。實踐效果LoRA 在實踐中有多好,與完全微調(diào)和其他參數(shù)有效方法相比如何?根據(jù) LoRA 的論文,在幾個特定任務的基準測試中,使用 LoRA 的模型的建模性能略好于使用 Adapters、prompt tuning 或 prefix tuning 的模型。通常,LoRA 的性能甚至比微調(diào)所有層更好,如下面 LoRA 論文的注釋表所示。307776d6-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png值得注意的是,LoRA 與其他微調(diào)方法正交,這意味著它也可以與 Adapters 或 prefix tuning 相結合。LoRA & LLaMA現(xiàn)在,讓我們使用 LoRA 來微調(diào) Meta 提出的 LLaMA 模型。除了用于訓練和運行 LLaMA 本身的代碼(使用原始的 Meta-LLaMA 權重)外,還包含用于使用 LLaMA Adapter 和 LoRA 微調(diào) LLaMA 的代碼。作者建議使用以下操作方法文件:
  • 下載預訓練的權重:https://github.com/Lightning-AI/lit-llama/blob/main/howto/download_weights.md

  • 使用 LoRA 進行微調(diào):https://github.com/Lightning-AI/lit-llama/blob/main/howto/finetune_lora.md

  • 使用適配器進行微調(diào):https://github.com/Lightning-AI/lit-llama/blob/main/howto/finetune_adapter.md(可選,用于比較研究)

下一節(jié)將比較 7B LLaMA 基礎模型與使用 LoRA 和 LLaMA Adapter 微調(diào)的 7B LLaMA 基礎模型。(請注意,需要具有至少 24 GB RAM 的 GPU)。計算性能基準本節(jié)中,作者將比較 LLaMA 7B 基礎模型與使用 LoRA 和 LLaMA Adapter 微調(diào)的基礎模型的計算性能。微調(diào)數(shù)據(jù)集是 Alpaca 52k 指令數(shù)據(jù)集,其結構如下:

30c6e630-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png

數(shù)據(jù)集是按照 Self-Instruct 論文中描述的方法生成的,由 49759 個訓練樣本和 2000 個驗證樣本組成。Self-Instruct 的流程可總結為 4 個步驟:
  • 種子任務池,包含一組人工編寫的指令(本例中為 175 條)和樣本指令;

  • 使用預訓練的 LLM(如 GPT-3)來確定任務類別;

  • 給定新指令,讓預訓練的 LLM 生成響應結果;

  • 在將響應結果添加到任務池之前,先收集、剪枝和篩選響應結果。

30d420ca-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.pngAlpaca 52k 數(shù)據(jù)集是使用上述 Self-Instruct 程序收集的。但是,也可以使用(或?qū)⑵渑c)替代數(shù)據(jù)集進行比較。例如,一個有趣的候選數(shù)據(jù)集是最近發(fā)布的開源 databricks-doolly-15k 數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集包含 databricks 員工編寫的約 15k 條指令 / 響應微調(diào)記錄。Lit LLaMA 存儲庫包含一個數(shù)據(jù)集制備腳本,可以選擇使用 Dolly 15k 數(shù)據(jù)集。給定以下超參數(shù)設置(塊大小、批大小和 LoRA 的 r),Adapter 和 LoRA 都可以以 bfloat-16 的混合精度,在具有 24 Gb RAM 的單個 GPU 上微調(diào) 7B 參數(shù)的 LLaMA 基本模型。LoRA30ec7f3a-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.pngLaMA Adapter310e2aa4-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png如果代碼將來發(fā)生變化,GitHub 上會同步更新代碼(帶有超參數(shù)設置)。Adapter 在 A100 上使用了大約 22 Gb 的空間,并在 162 分鐘內(nèi)完成了 62400 次迭代。同樣的迭代次數(shù)下,LoRA 使用了 21 Gb 的內(nèi)存,在 192 分鐘內(nèi)完成??傊瑯踊?Lit-LLaMA 的 Adapter 和 LoRA 使用的 RAM 數(shù)量大致相同,訓練時間大致相同。(請注意,這是在單個 GPU 上進行的,但如果有多個 GPU,只需將設備參數(shù)更改為 > 1 即可利用額外的加速?。┫啾戎?,完全微調(diào)(LLaMA 7B 由 32 個 Transformer 塊和 3 個全連接的輸出層組成)需要至少 2 個具有至少 30Gb 的 GPU 和完全分片訓練來分配權重?;蛘?,可以使用 4 個 GPU,每個 GPU 的最大內(nèi)存使用量為 22 Gb。在 4 個 GPU 上進行訓練,訓練耗時 1956 分鐘。在單個 GPU 上至少需要 6000 分鐘,這將比參數(shù)高效的 LLaMA Adapter 或 LoRA 代價昂貴 30-40 倍。接下來,本文將介紹應用不同微調(diào)策略后的模型輸出。評估建模性能有幾種度量標準可用于評估 LLM 生成的文本。例如,困惑度、BLEU 和 ROUGE 分數(shù)是自然語言處理中用來評估 LLM 在各種任務中的表現(xiàn)的一些最常見的評估指標。然而,所有這些指標都有很大的缺點,人工評估仍然是黃金標準 —— 人工評估的缺點是創(chuàng)建成本高,難以自動化。簡單起見,本文只關注定性比較,看看各種模型產(chǎn)生的一些輸出。為了對模型進行定性比較,本文將使用 “請解釋權重衰減是如何工作的” 作為 prompt。基準模型3124f25c-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png請解釋一下權重衰減是如何工作的…… 以及為什么它有時看起來有效,有時無效!最簡單地說,權重衰減從模型中刪除特征(作為特征重要性的函數(shù)),它也被稱為正則化。推理時間 1:4.18 秒,11.95 個 token / 秒正如我們所看到的,模型開始通過附加 “… 以及為什么它有時看起來有效,有時不起作用!” 來補全 prompt。這是因為基礎模型只在下一個單詞預測任務中進行了訓練,沒有經(jīng)過專門的訓練來處理指令。盡管如此,它試圖在下面進一步解釋。這種解釋對正則化做出了一些正確的解釋,但它并沒有真正捕捉到權重衰減的關鍵機制。LLaMA-Adapter313d5c16-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png權重衰減是一種懲罰詞條字數(shù)的方法。通過選擇單詞較少的句子,模型更有可能選擇那些可能提供重要信息的句子。推理時間:總計 7.04 秒,14.21 個 tokens/sec。使用的內(nèi)存:13.56 GB。這個解釋在語法上是合理的,但也不一定是我們想要的。LoRA31480dd2-fcbf-11ed-90ce-dac502259ad0.png權重衰減是機器學習模型中用于減少過擬合的算法參數(shù)。這是一個調(diào)整模型權重的過程,以減少模型中不太重要的特征的影響并防止過擬合。權重衰減是通過向權重添加少量噪聲來減少模型對訓練數(shù)據(jù)的影響。這個過程鼓勵模型更多地關注對預測任務更重要的特征。推理時間:總計 3.25 秒,30.76 個 tokens/sec。使用的內(nèi)存:27.65 GB。可以看到離期望的答案越來越近了;放到廣義線性模型中,這種解釋確實有意義,在廣義線性模型中,會強迫模型學習與輸入特征相乘結果較小的權重參數(shù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡中,這通常會應用于模型中的所有權重參數(shù)。上面的 LoRA 方法目前來說使用的內(nèi)存最多。然而,如前所述,可以通過將 LoRA 權重與預訓練的模型權重合并來減少這種內(nèi)存使用。由于評估 LLM 本身就是一個大課題,因此這種定性概述只能反應每個模型能力的一小部分。但這里的要點是,LoRA 可以用于以相對經(jīng)濟高效的方式在指令數(shù)據(jù)集上微調(diào) LLM。結論本文討論了低秩自適應(LoRA),這是一種參數(shù)完全微調(diào)的有效替代方案。使用 LoRA,可以在幾個小時內(nèi)在單個 GPU 上對 LLaMA 等相對較大的模型進行微調(diào),這使得它對那些不想在 GPU 資源上花費數(shù)千美元的人特別有吸引力。LoRA 的特別之處在于,可以選擇性地將新的 LoRA 權重矩陣與原始的預訓練權重合并,這樣在推理過程中就不會產(chǎn)生額外的開銷或復雜性。隨著越來越多的 ChatGPT 或 GPT-4 開源替代品的出現(xiàn),在特定的目標數(shù)據(jù)集或目標上微調(diào)和定制這些 LLM 將在各個研究領域和行業(yè)變得越來越有吸引力。而 LoRA 等參數(shù)有效的微調(diào)技術使微調(diào)更具資源效率和可訪問性。Lit LLaMA 存儲庫中提供了諸如 LoRA 和 LLaMA Adapter 之類的參數(shù)高效微調(diào)技術。原文鏈接:https://lightning.ai/pages/community/tutorial/lora-llm/

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原文標題:調(diào)教LLaMA類模型沒那么難,LoRA將模型微調(diào)縮減到幾小時

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