随着ChatGPT的迅速出圈，加速了大模型时代的变革。对于以Transformer、MOE结构为代表的大模型来说，传统的单机单卡训练模式肯定不能满足上千（万）亿级参数的模型训练，这时候我们就需要解决内存墙和通信墙等一系列问题，在单机多卡或者多机多卡进行模型训练。

最近一段时间，我也在探索大模型相关的一些技术，下面做一个简单的总结。

GPU集群

由于目前只有3台A800 GPU服务器（共24卡）。基于目前现有的一些AI框架和大模型，无法充分利用3台服务器。比如：OPT-66B一共有64层Transformer，当使用Alpa进行流水线并行时，通过流水线并行对模型进行切分，要么使用16卡，要么使用8卡，没法直接使用24卡，因此，GPU服务器最好是购买偶数台（如：2台、4台、8台）。

具体的硬件配置如下：

CPUs: 每个节点具有 1TB 内存的 Intel CPU，物理CPU个数为64，每颗CPU核数为16。
GPUs: 24 卡 A800 80GB GPUs ，每个节点 8 个 GPU（3 个节点）。

目前使用Huggingface Transformers和DeepSpeed进行通过数据并行进行训练（pretrain），单卡可以跑三百亿参数（启用ZeRO-2或ZeRO-3），如OPT-30B，具体训练教程参考官方样例。

使用Alpa进行流水线并行和数据并行进行训练（fine tuning）时，使用了3台共24卡（PP：12，DP：2）进行训练OPT-30B，具体训练教程参考官方样例。但是进行模型训练之前需要先进行模型格式转换，将HF格式转换为Alpa格式的模型文件，具体请参考官方代码。如果不想转换，官网也提供了转换好的模型格式，具体请参考文档：Serving OPT-175B, BLOOM-176B and CodeGen-16B using Alpa。

大模型算法

模型结构：

目前主流的大模型都是Transformer、MOE结构为基础进行构建，如果说Transformer结构使得模型突破到上亿参数量，MoE 稀疏混合专家结构使模型参数量产生进一步突破，达到数万亿规模。

大模型算法：

下图详细展示了AI大模型的发展历程：

可以说，Transformer 开创了继 MLP 、CNN和 RNN之后的第四大类模型。而基于Transformer结构的模型又可以分为Encoder-only、Decoder-only、Encoder-Decoder这三类。

仅编码器架构（Encoder-only）：自编码模型（破坏一个句子，然后让模型去预测或填补），更擅长理解类的任务，例如：文本分类、实体识别、关键信息抽取等。典型代表有：Bert、RoBERTa等。
仅解码器架构（Decoder-only）：自回归模型（将解码器自己当前步的输出加入下一步的输入，解码器融合所有已经输入的向量来输出下一个向量，所以越往后的输出考虑了更多输入），更擅长生成类的任务，例如：文本生成。典型代表有：GPT系列、LLaMA、OPT、Bloom等。
编码器-解码器架构（Encoder-Decoder）：序列到序列模型（编码器的输出作为解码器的输入），主要用于基于条件的生成任务，例如：翻译，概要等。典型代表有：T5、BART、GLM等。

大语言模型

目前业界可以下载到的一些大语言模型：

ChatGLM-6B ：中英双语的对话语言模型。
GLM-10B/130B ：双语（中文和英文）双向稠密模型。
OPT-2.7B/13B/30B/66B ：Meta开源的预训练语言模型。
LLaMA-7B/13B/30B/65B ：Meta开源的基础大语言模型。
Alpaca（LLaMA-7B）：斯坦福提出的一个强大的可复现的指令跟随模型，种子任务都是英语，收集的数据也都是英文，因此训练出来的模型未对中文优化。
BELLE（BLOOMZ-7B/LLaMA-7B/LLaMA-13B）：本项目基于 Stanford Alpaca，针对中文做了优化，模型调优仅使用由ChatGPT生产的数据（不包含任何其他数据）。
Bloom-7B/13B/176B：可以处理46 种语言，包括法语、汉语、越南语、印度尼西亚语、加泰罗尼亚语、13 种印度语言（如印地语）和 20 种非洲语言。其中，Bloomz系列模型是基于 xP3 数据集微调。推荐用于英语的提示（prompting）；Bloomz-mt系列模型是基于 xP3mt 数据集微调。推荐用于非英语的提示（prompting）。
Vicuna(7B/13B)：由UC Berkeley、CMU、Stanford和 UC San Diego的研究人员创建的 Vicuna-13B，通过在 ShareGPT 收集的用户共享对话数据中微调 LLaMA 获得。其中，使用 GPT-4 进行评估，发现 Vicuna-13B 的性能在超过90%的情况下实现了与ChatGPT和Bard相匹敌的能力；同时，在 90% 情况下都优于 LLaMA 和 Alpaca 等其他模型。而训练 Vicuna-13B 的费用约为 300 美元。不仅如此，它还提供了一个用于训练、服务和评估基于大语言模型的聊天机器人的开放平台：FastChat。
Baize：白泽是在LLaMA上训练的。目前包括四种英语模型：白泽-7B、13B 、 30B（通用对话模型）以及一个垂直领域的白泽-医疗模型，供研究 / 非商业用途使用，并计划在未来发布中文的白泽模型。白泽的数据处理、训练模型、Demo 等全部代码已经开源。
LLMZoo：来自香港中文大学和深圳市大数据研究院团队推出的一系列大模型，如：Phoenix（凤凰）和 Chimera等。

-MOSS：由复旦 NLP 团队推出的 MOSS 大语言模型。

20230325（当时官方还未开源训练代码，目前直接基于官方的训练代码即可）:

前两天测试了BELLE，对中文的效果感觉还不错。具体的模型训练（预训练）方法可参考Hugingface Transformers的样例，SFT（指令精调）方法可参考Alpaca的训练代码。

从上面可以看到，开源的大语言模型主要有三大类：GLM衍生的大模型（wenda、ChatSQL等）、LLaMA衍生的大模型（Alpaca、Vicuna、BELLE、Phoenix、Chimera等）、Bloom衍生的大模型（Bloomz、BELLE、Phoenix等）。

模型	训练数据量	模型参数	训练数据范围	词表大小
LLaMA	1T～1.4T tokens(其中，7B/13B使用1T，33B/65B使用1.4T)	7B～65B	以英语为主要语言的拉丁语系	32000
ChatGLM-6B	约 1T tokens	6B	中文、英语	130528
Bloom	1.6TB预处理文本，转换为 350B 唯一 tokens	300M~176B	46种自然语言，13种编程语言	250680

从表格中可以看到，对于像ChatGLM-6B、LLaMA、Bloom这类大模型，要保证基座模型有比较好的效果，至少需要保证上千亿、万亿级的Token量。

目前来看，LLaMA无疑是其中最闪亮的星。但是国内关于LLaMA比较大的一个争论就是LLaMA是以英语为主要语言的拉丁语系上进行训练的，LLaMA词表中的中文token比较少（只有几百个），需不需要扩充词表？如果不扩充词表，中文效果会不会比较差？

如果不扩充词表，对于中文效果怎么样？根据Vicuna官方的报告，经过Instruction Turing的Vicuna-13B已经有非常好的中文能力。
LLaMA需不需要扩充词表？根据Chinese-LLaMA-Alpaca和BELLE的报告，扩充中文词表，可以提升中文编解码效率以及模型的性能。但是扩词表，相当于从头初始化开始训练这些参数。如果想达到比较好的性能，需要比较大的算力和数据量。同时，Chinese-LLaMA-Alpaca也指出在进行第一阶段预训练（冻结transformer参数，仅训练embedding，在尽量不干扰原模型的情况下适配新增的中文词向量）时，模型收敛速度较慢。如果不是有特别充裕的时间和计算资源，建议跳过该阶段。因此，虽然扩词表看起来很诱人，但是实际操作起来，还是很有难度的。

下面是BELLE针对是否扩充词表，数据质量、数据语言分布、数据规模对于模型性能的对比：

其中，BELLE-0.5M-CLEAN是从230万指令数据中清洗得到0.5M数据（包含单轮和多轮对话数据）。LLaMA-7B-EXT是针对LLaMA做了中文词表扩充的预训练模型。

下面是Chinese-LLaMA-Alpaca针对中文Alpaca-13B、中文Alpaca-Plus-7B、中文Alpaca-Plus-13B的效果对比：

其中，Plus系列Alpaca是在原版LLaMA的基础上扩充了中文词表，使用了120G中文通用纯文本数据进行二次预训练。

因此，如果既想要中文词表，又没有很大的算力，那建议直接使用ChatGLM-6B或者使用BELLE和Chinese-LLaMA-Alpaca进行中文词表扩充后训练好的模型作为Base模型。

多模态大模型

目前业界可以下载到的一些多模态大模型：

MiniGPT-4：沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研究团队开源。
LLaVA：由威斯康星大学麦迪逊分校，微软研究院和哥伦比亚大学共同出品。
VisualGLM-6B：开源的，支持图像、中文和英文的多模态对话语言模型，语言模型基于 ChatGLM-6B，具有 62 亿参数；图像部分通过训练 BLIP2-Qformer 构建起视觉模型与语言模型的桥梁，整体模型共78亿参数。

分布式并行及显存优化技术

并行技术：

数据并行（如：PyTorch DDP）
模型/张量并行（如：Megatron-LM（1D）、Colossal-AI（2D、2.5D、3D））
流水线并行（如：GPipe、PipeDream、PipeDream-2BW、PipeDream Flush（1F1B））
多维混合并行（如：3D并行（数据并行、模型并行、流水线并行））
自动并行（如：Alpa（自动算子内/算子间并行））
优化器相关的并行（如：ZeRO（零冗余优化器，在执行的逻辑上是数据并行，但可以达到模型并行的显存优化效果）、PyTorch FSDP）

显存优化技术：

重计算(Recomputation)：Activation checkpointing(Gradient checkpointing)，本质上是一种用时间换空间的策略。
卸载（Offload）技术：一种用通信换显存的方法，简单来说就是让模型参数、激活值等在CPU内存和GPU显存之间左右横跳。如：ZeRO-Offload、ZeRO-Infinity等。
混合精度（BF16/FP16）：降低训练显存的消耗，还能将训练速度提升2-4倍。
BF16 计算时可避免计算溢出，出现Inf case。
FP16 在输入数据超过65506 时，计算结果溢出，出现Inf case。

分布式训练框架

如何选择一款分布式训练框架？

训练成本：不同的训练工具，训练同样的大模型，成本是不一样的。对于大模型，训练一次动辄上百万/千万美元的费用。合适的成本始终是正确的选择。
训练类型：是否支持数据并行、张量并行、流水线并行、多维混合并行、自动并行等
效率：将普通模型训练代码变为分布式训练所需编写代码的行数，我们希望越少越好。
灵活性：你选择的框架是否可以跨不同平台使用？

常见的分布式训练框架：

第一类：深度学习框架自带的分布式训练功能。如：TensorFlow、PyTorch、MindSpore、Oneflow、PaddlePaddle等。
第二类：基于现有的深度学习框架（如：PyTorch、Flax）进行扩展和优化，从而进行分布式训练。如：Megatron-LM（张量并行）、DeepSpeed（Zero-DP）、Colossal-AI（高维模型并行，如2D、2.5D、3D）、Alpa（自动并行）等

目前训练超大规模语言模型主要有两条技术路线：

TPU + XLA + TensorFlow/JAX ：由Google主导，由于TPU和自家云平台GCP深度绑定
GPU + PyTorch + Megatron-LM + DeepSpeed ：由NVIDIA、Meta、MicroSoft大厂加持，社区氛围活跃，也更受到大家欢迎。

参数高效微调（PEFT）技术

在面对特定的下游任务时，如果进行Full FineTuning（即对预训练模型中的所有参数都进行微调），太过低效；而如果采用固定预训练模型的某些层，只微调接近下游任务的那几层参数，又难以达到较好的效果。

PEFT技术旨在通过最小化微调参数的数量和计算复杂度，来提高预训练模型在新任务上的性能，从而缓解大型预训练模型的训练成本。这样一来，即使计算资源受限，也可以利用预训练模型的知识来迅速适应新任务，实现高效的迁移学习。因此，PEFT技术可以在提高模型效果的同时，大大缩短模型训练时间和计算成本，让更多人能够参与到深度学习研究中来。

Prefix Tuning：与full fine-tuning更新所有参数的方式不同，该方法是在输入token之前构造一段任务相关的virtual tokens作为Prefix，然后训练的时候只更新Prefix部分的参数，而Transformer中的其他部分参数固定。该方法其实和构造Prompt类似，只是Prompt是人为构造的“显式”的提示,并且无法更新参数，而Prefix则是可以学习的“隐式”的提示。

同时，为了防止直接更新Prefix的参数导致训练不稳定的情况，他们在Prefix层前面加了MLP结构(相当于将Prefix分解为更小维度的Input与MLP的组合后输出的结果)，训练完成后，只保留Prefix的参数。
Prompt Tuning：该方法可以看作是Prefix Tuning的简化版本，只在输入层加入prompt tokens，并不需要加入MLP进行调整来解决难训练的问题。随着预训练模型参数量的增加，Prompt Tuning的方法会逼近fine-tuning的结果。
P-Tuning：该方法的提出主要是为了解决这样一个问题：大模型的Prompt构造方式严重影响下游任务的效果。P-Tuning将Prompt转换为可以学习的Embedding层，并用MLP+LSTM的方式来对prompt embedding进行一层处理。
P-Tuning v2：让Prompt Tuning能够在不同参数规模的预训练模型、针对不同下游任务的结果上都达到匹敌Fine-tuning的结果。相比Prompt Tuning和P-tuning的方法，P-Tuning v2方法在多层加入了Prompts tokens作为输入，带来两个方面的好处：
带来更多可学习的参数（从P-tuning和Prompt Tuning的0.1%增加到0.1%-3%），同时也足够参数高效。
加入到更深层结构中的Prompt能给模型预测带来更直接的影响。
Adapter Tuning：该方法设计了Adapter结构（首先是一个down-project层将高维度特征映射到低维特征，然后过一个非线形层之后，再用一个up-project结构将低维特征映射回原来的高维特征；同时也设计了skip-connection结构，确保了在最差的情况下能够退化为identity），并将其嵌入Transformer的结构里面，在训练时，固定住原来预训练模型的参数不变，只对新增的Adapter结构进行微调。同时为了保证训练的高效性（也就是尽可能少的引入更多参数）。
LoRA：在涉及到矩阵相乘的模块，引入A、B这样两个低秩矩阵模块去模拟full fine-tuning的过程，相当于只对语言模型中起关键作用的低秩本质维度进行更新。

典型应用：

ChatGLM-Tuning ：一种平价的chatgpt实现方案，基于清华的 ChatGLM-6B + LoRA 进行finetune。
Alpaca-Lora：使用低秩自适应（LoRA）复现斯坦福羊驼的结果。Stanford Alpaca 是在 LLaMA 整个模型上微调，而 Alpaca-Lora 则是利用 Lora 技术，在冻结原模型 LLaMA 参数的情况下，通过往模型中加入额外的网络层，并只训练这些新增的网络层参数。由于这些新增参数数量较少，这样不仅微调的成本显著下降，还能获得和全模型微调类似的效果。
BLOOM-LORA：由于LLaMA的限制，我们尝试使用Alpaca-Lora重新实现BLOOM-LoRA。

PEFT实现：

PEFT：Huggingface推出的PEFT库。
unify-parameter-efficient-tuning：一个参数高效迁移学习的统一框架。

高效微调技术目前存在的两个问题：

相比全参数微调，高效微调技术目前存在的两个问题：

推理速度会变慢
模型精度会变差

影响大模型性能的主要因素

OpenAI的论文Scaling Laws for Neural Language Models中列举了影响模型性能最大的三个因素：计算量、数据集大小、模型参数量。也就是说，当其他因素不成为瓶颈时，计算量、数据集大小、模型参数量这3个因素中的单个因素指数增加时，loss会线性的下降。

除了以上的因素之外，还有一个比较大的影响因素就是数据质量。在微软的论文Instruction Tuning with GPT-4中指出，同样基于LLaMA模型，使用GPT3和GPT4产生的数据，对模型进行Instruction Turing，可以看到GPT4的数据微调过的模型效果远远好于GPT3数据微调的模型，可见数据质量带来的影响。同样的，Vicuna（7B/13B）的Instruction Turing中，也对shareGPT的数据做了很细致的清洗工作。

衡量大模型水平

要评估一个大型语言模型的水平，可以从以下几个维度提出具有代表性的问题。

理解能力：提出一些需要深入理解文本的问题，看模型是否能准确回答。
语言生成能力：让模型生成一段有关特定主题的文章或故事，评估其生成的文本在结构、逻辑和语法等方面的质量。
知识面广度：请模型回答关于不同主题的问题，以测试其对不同领域的知识掌握程度。这可以是关于科学、历史、文学、体育或其他领域的问题。一个优秀的大语言模型应该可以回答各种领域的问题，并且准确性和深度都很高。
适应性：让模型处理各种不同类型的任务，例如：写作、翻译、编程等，看它是否能灵活应对。
长文本理解：提出一些需要处理长文本的问题，例如：提供一篇文章，让模型总结出文章的要点，或者请模型创作一个故事或一篇文章，让其有一个完整的情节，并且不要出现明显的逻辑矛盾或故事结构上的错误。一个好的大语言模型应该能够以一个连贯的方式讲述一个故事，让读者沉浸其中。
长文本生成：请模型创作一个故事或一篇文章，让其有一个完整的情节，并且不要出现明显的逻辑矛盾或故事结构上的错误。一个好的大语言模型应该能够以一个连贯的方式讲述一个故事，让读者沉浸其中。
多样性：提出一个问题，让模型给出多个不同的答案或解决方案，测试模型的创造力和多样性。
情感分析和推断：提供一段对话或文本，让模型分析其中的情感和态度，或者推断角色间的关系。
情感表达：请模型生成带有情感色彩的文本，如描述某个场景或事件的情感、描述一个人物的情感状态等。一个优秀的大语言模型应该能够准确地捕捉情感，将其表达出来。
逻辑推理能力：请模型回答需要进行推理或逻辑分析的问题，如概率或逻辑推理等。这可以帮助判断模型对推理和逻辑思考的能力，以及其在处理逻辑问题方面的准确性。例如：“所有的动物都会呼吸。狗是一种动物。那么狗会呼吸吗？”
问题解决能力：提出实际问题，例如：数学题、编程问题等，看模型是否能给出正确的解答。
道德和伦理：测试模型在处理有关道德和伦理问题时的表现，例如：“在什么情况下撒谎是可以接受的？”
对话和聊天：请模型进行对话，以测试其对自然语言处理的掌握程度和能力。一个优秀的大语言模型应该能够准确地回答问题，并且能够理解人类的语言表达方式。

大模型评估方法：

人工评估：LIMA、Phoenix
使用 GPT-4 的反馈进行自动评估：Vicuna、Phoenix、Chimera、BELLE
指标评估（BLEU-4、ROUGE分数）：ChatGLM-6B；对于像ROUGE-L分数的指标评估，有些地方称其为非自然指令评估（Unnatural Instruction Evaluation）。

大模型评估工具：

Open AI evals

大模型推理加速

模型推理作为模型投产的最后一公里，需要确保模型精度的同时追求极致的推理性能。相比传统模型来说，大模型面临着更多的挑战。

当前优化模型最主要技术手段概括来说有以下三个层面：

算法层面：蒸馏、量化
软件层面：计算图优化、模型编译
硬件层面：FP8（NVIDIA H系列GPU开始支持FP8，兼有fp16的稳定性和int8的速度）

推理加速框架：

FasterTransformer：英伟达推出的FasterTransformer不修改模型架构而是在计算加速层面优化 Transformer 的 encoder 和 decoder 模块。具体包括如下：
尽可能多地融合除了 GEMM 以外的操作
支持 FP16、INT8、FP8
移除 encoder 输入中无用的 padding 来减少计算开销
TurboTransformers：腾讯推出的 TurboTransformers 由 computation runtime 及 serving framework 组成。加速推理框架适用于 CPU 和 GPU，最重要的是，它可以无需预处理便可处理变长的输入序列。具体包括如下：
与 FasterTransformer 类似，它融合了除 GEMM 之外的操作以减少计算量
smart batching，对于一个 batch 内不同长度的序列，它也最小化了 zero-padding 开销
对 LayerNorm 和 Softmax 进行批处理，使它们更适合并行计算
引入了模型感知分配器，以确保在可变长度请求服务期间内存占用较小

经验与教训

经验：

对于同一模型，选择不同的训练框架，对于资源的消耗情况可能存在显著差异（比如使用Huggingface Transformers和DeepSpeed训练OPT-30相对于使用Alpa对于资源的消耗会低不少）。
进行大模型模型训练时，先使用小规模模型（如：OPT-125m/2.7b）进行尝试，然后再进行大规模模型（如：OPT-13b/30b…）的尝试，便于出现问题时进行排查。目前来看，业界也是基于相对较小规模参数的模型（6B/7B/13B）进行的优化，同时，13B模型经过指令精调之后的模型效果已经能够到达GPT4的90%的效果。

教训：

针对已有的环境进行分布式训练环境搭建时，一定要注意之前环境的python、pip、virtualenv、setuptools的版本。不然创建的虚拟环境即使指定对了Python版本，也可能会遇到很多安装依赖库的问题（GPU服务器能够访问外网的情况下，建议使用Docker相对来说更方便）。
遇到需要升级GLIBC等底层库需要升级的提示时，一定要慎重，不要轻易升级，否则，可能会造成系统宕机或很多命令无法操作等情况。

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大模型实践总结