Llama2-Chinese项目：2.1-Atom-7B预训练
虽然Llama2的预训练数据相对于第一代LLaMA扩大了一倍，但是中文预训练数据的比例依然非常少，仅占0.13%，这也导致了原始Llama2的中文能力较弱。为了能够提升模型的中文能力，可以采用微调和预训练两种路径，其中：
- 微调需要的算力资源少，能够快速实现一个中文Llama的雏形。但缺点也显而易见，只能激发基座模型已有的中文能力，由于Llama2的中文训练数据本身较少，所以能够激发的能力也有限，治标不治本。
- 基于大规模中文语料进行预训练，成本高，不仅需要大规模高质量的中文数据，也需要大规模的算力资源。但是优点也显而易见，就是能从模型底层优化中文能力，真正达到治本的效果，从内核为大模型注入强大的中文能力。
下面从主要目标、训练数据、权重更新、数据转换和预处理、任务类型、示例应用和典型场景7个方面进行比较，如下所示(ChatGPT)：
| 特征 | Pretraining（预训练） | Continuous Pretraining（继续预训练） | Fine-tuning（微调） | Post-Pretrain（预训练之后） |
|---|---|---|---|---|
| 主要目标 | 学习通用的表示 | 在通用表示上继续学习 | 在特定任务上调整模型 | 在预训练之后的额外学习和任务 |
| 训练数据 | 大规模文本数据集 | 额外的文本数据集 | 特定任务的数据集 | 额外的优化、领域适应或任务迁移 |
| 权重更新 | 权重更新 | 继续更新模型参数 | 在任务数据上进行权重更新 | 针对特定需求进行权重更新 |
| 数据转换和预处理 | 通常包括数据标准化、掩码预测等 | 与预训练相似的预处理 | 根据任务需求进行调整 | 针对特定需求进行数据处理和优化 |
| 任务类型 | 无监督学习、自监督学习 | 通常是自监督学习 | 监督学习 | 可以包括优化、领域适应、任务迁移等多种任务 |
| 示例应用 | BERT、GPT等 | 额外的预训练 | 文本分类、命名实体识别等 | 模型优化、领域适应、多任务学习等 |
| 典型场景 | 语言理解和生成 | 继续模型学习 | 特定文本任务 | 后续步骤和任务，用于定制和优化模型 |
说明：本文环境为Windows10，Python3.10，CUDA 11.8，GTX 3090(24G)，内存24G。
一.模型预训练脚本
模型预训练脚本中的参数较多，只能在实践中来消化了。因为用的Windows10系统，所以运行shell脚本较麻烦，这部分不做过多介绍。如下所示：
train/pretrain/pretrain.sh
output_model=/mnt/data1/atomgpt # output_model：输出模型路径
if [ ! -d ${output_model} ];then # -d：判断是否为目录，如果不是目录则创建
mkdir ${output_model} # mkdir：创建目录
fi
cp ./pretrain.sh ${output_model} # cp：复制文件pretrain.sh到output_model目录下
cp ./ds_config_zero*.json ${output_model} # cp：复制文件ds_config_zero*.json到output_model目录下
deepspeed --num_gpus 1 pretrain_clm.py \ # deepspeed：分布式训练，num_gpus：使用的gpu数量，pretrain_clm.py：训练脚本
--model_name_or_path L:/20230903_Llama2/Llama-2-7b-hf \ # model_name_or_path：模型名称或路径
--train_files ../../data/train_sft.csv \ # train_files：训练数据集路径
../../data/train_sft_sharegpt.csv \
--validation_files ../../data/dev_sft.csv \ # validation_files：验证数据集路径
../../data/dev_sft_sharegpt.csv \
--per_device_train_batch_size 10 \ # per_device_train_batch_size：每个设备的训练批次大小
--per_device_eval_batch_size 10 \ # per_device_eval_batch_size：每个设备的验证批次大小
--do_train \ # do_train：是否进行训练
--output_dir ${output_model} \ # output_dir：输出路径
--evaluation_strategy steps \ # evaluation_strategy：评估策略，steps：每隔多少步评估一次
--use_fast_tokenizer false \ # use_fast_tokenizer：是否使用快速分词器
--max_eval_samples 500 \ # max_eval_samples：最大评估样本数，500：每次评估500个样本
--learning_rate 3e-5 \ # learning_rate：学习率
--gradient_accumulation_steps 4 \ # gradient_accumulation_steps：梯度累积步数
--num_train_epochs 3 \ # num_train_epochs：训练轮数
--warmup_steps 10000 \ # warmup_steps：预热步数
--logging_dir ${output_model}/logs \ # logging_dir：日志路径
--logging_strategy steps \ # logging_strategy：日志策略，steps：每隔多少步记录一次日志
--logging_steps 2 \ # logging_steps：日志步数，2：每隔2步记录一次日志
--save_strategy steps \ # save_strategy：保存策略，steps：每隔多少步保存一次
--preprocessing_num_workers 10 \ # preprocessing_num_workers：预处理工作数
--save_steps 500 \ # save_steps：保存步数，500：每隔500步保存一次
--eval_steps 500 \ # eval_steps：评估步数，500：每隔500步评估一次
--save_total_limit 2000 \ # save_total_limit：保存总数，2000：最多保存2000个
--seed 42 \ # seed：随机种子
--disable_tqdm false \ # disable_tqdm：是否禁用tqdm
--ddp_find_unused_parameters false \ # ddp_find_unused_parameters：是否找到未使用的参数
--block_size 4096 \ # block_size：块大小
--overwrite_output_dir \ # overwrite_output_dir：是否覆盖输出目录
--report_to tensorboard \ # report_to：报告给tensorboard
--run_name ${output_model} \ # run_name：运行名称
--bf16 \ # bf16：是否使用bf16
--bf16_full_eval \ # bf16_full_eval：是否使用bf16进行完整评估
--gradient_checkpointing \ # gradient_checkpointing：是否使用梯度检查点
--deepspeed ./ds_config_zero3.json \ # deepspeed：分布式训练配置文件
--ignore_data_skip true \ # ignore_data_skip：是否忽略数据跳过
--ddp_timeout 18000000 \ # ddp_timeout：ddp超时时间，18000000：18000000毫秒
| tee -a ${output_model}/train.log # tee：将标准输出重定向到文件，-a：追加到文件末尾
# --resume_from_checkpoint ${output_model}/checkpoint-20400 \# resume_from_checkpoint：从检查点恢复训练
二.预训练实现代码
Llama中文社区供了Llama模型的预训练代码，以及中文语料（参考第六部分）。本文在meta发布的Llama-2-7b基础上进行预训练，pretrain_clm.py代码的中文注释参考[0]，执行脚本如下所示：
python pretrain_clm.py --output_dir ./output_model --model_name_or_path L:/20230903_Llama2/Llama-2-7b-hf --train_files ../../data/train_sft.csv ../../data/train_sft_sharegpt.csv --validation_files ../../data/dev_sft.csv ../../data/dev_sft_sharegpt.csv --do_train --overwrite_output_dir
说明：使用GTX 3090 24G显卡，还是报了OOM错误，但是并不影响调试学习，输出日志参考[2]。
1.代码结构
(1)ModelArguments：模型参数类
(2)DataTrainingArguments：数据训练参数类
(3)TrainingArguments：训练参数类
2.model_args, data_args, training_args = parser.parse_args_into_dataclasses()
解析：加载模型参数、数据训练参数和训练参数，如下所示：
3.raw_datasets = load_dataset(...)
解析：加载原始数据集，如下所示：
4.config = AutoConfig.from_pretrained(model_args.model_name_or_path, **config_kwargs)
解析：加载config，如下所示：
5.tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_args.model_name_or_path, **tokenizer_kwargs)
解析：加载tokenizer，如下所示：
6.model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained()
解析：加载model，这一步非常耗时，如下所示：
7.tokenized_datasets = raw_datasets.map()
解析：原始数据集处理，比如编码等，如下所示：
8.trainer = Trainer()
解析：实例化一个trainer，用于后续的训练或评估。跑到这一步的时候就报OOM了。如下所示：
trainer = Trainer( # 训练器
model=model, # 模型
args=training_args, # 训练参数
train_dataset= IterableWrapper(train_dataset) if training_args.do_train else None, # 训练数据集
eval_dataset= IterableWrapper(eval_dataset) if training_args.do_eval else None, # 评估数据集
tokenizer=tokenizer, # 分词器
# Data collator will default to DataCollatorWithPadding, so we change it.
# 翻译：数据收集器将默认为DataCollatorWithPadding，因此我们将其更改。
data_collator=default_data_collator, # 默认数据收集器
compute_metrics=compute_metrics if training_args.do_eval and not is_torch_tpu_available() else None, # 计算指标
preprocess_logits_for_metrics=preprocess_logits_for_metrics if training_args.do_eval and not is_torch_tpu_available() else None, # 为指标预处理logits
# callbacks=([SavePeftModelCallback] if isinstance(model, PeftModel) else None),
)
说过：阅读pretrain_clm.py代码有几个疑问：中文词表是什么扩展的？上下文长度如何扩增？如何预训练text数据？后续再写文章分享。
三.DeepSpeed加速
DeepSpeed是一个由微软开发的开源深度学习优化库，旨在提高大规模模型训练的效率和可扩展性。它通过多种技术手段来加速训练，包括模型并行化、梯度累积、动态精度缩放、本地模式混合精度等。DeepSpeed还提供了一些辅助工具，如分布式训练管理、内存优化和模型压缩等，以帮助开发者更好地管理和优化大规模深度学习训练任务。此外，deepspeed基于pytorch构建，只需要简单修改即可迁移。DeepSpeed已经在许多大规模深度学习项目中得到了应用，包括语言模型、图像分类、目标检测等等。
DeepSpeed主要包含三部分：
- Apis：提供易用的api接口，训练模型、推理模型只需要简单调用几个接口即可。其中最重要的是initialize接口，用来初始化引擎，参数中配置训练参数及优化技术等。配置参数一般保存在config.json文件中。
- Runtime：运行时组件，是DeepSpeed管理、执行和性能优化的核心组件。比如部署训练任务到分布式设备、数据分区、模型分区、系统优化、微调、故障检测、checkpoints保存和加载等。该组件使用Python语言实现。
- Ops：用C++和CUDA实现底层内核，优化计算和通信，比如ultrafast transformer kernels、fuse LAN kernels、cusomary deals等。
1.Windows10安装DeepSpeed
解析：管理员启动cmd：
build_win.bat
python setup.py bdist_wheel
2.安装编译工具
在Visual Studio Installer中勾选"使用C++的桌面开发"，如下所示：
3.error C2665: torch::empty: 没有重载函数可以转换所有参数类型
解决办法如下所示：
4.元素"1": 从"size_t"转换为"_Ty"需要收缩转换
解析：具体错误如下所示：
csrc/transformer/inference/csrc/pt_binding.cpp(536): error C2398: 元素"1": 从"size_t"转换为"_Ty"需要收缩转换
解析方案如下所示：
536：hidden_dim * (unsigned)InferenceContext
537：k * (int)InferenceContext
545：hidden_dim * (unsigned)InferenceContext
546：k * (int)InferenceContext
1570： input.size(1), (int)mlp_1_out_neurons
编译成功如下所示：
5.安装类库
PS L:\20230903_Llama2\whl文件\DeepSpeed\dist> pip3 install .\deepspeed-0.10.4+180dd397-cp310-cp310-win_amd64.whl
说明：由于DeepSpeed在Windows操作不友好，这部分只做学习使用。
6.单卡训练和多卡训练
（1）对于单卡训练，可以采用ZeRO-2的方式，参数配置见train/pretrain/ds_config_zero2.json
{
"fp16": { // 混合精度训练
"enabled": "auto", // 是否开启混合精度训练
"loss_scale": 0, // 损失缩放
"loss_scale_window": 1000, // 损失缩放窗口
"initial_scale_power": 16, // 初始损失缩放幂
"hysteresis": 2, // 滞后
"min_loss_scale": 1 // 最小损失缩放
},
"optimizer": { // 优化器
"type": "AdamW", // 优化器类型
"params": { // 优化器参数
"lr": "auto", // 学习率
"betas": "auto", // 衰减因子
"eps": "auto", // 除零保护
"weight_decay": "auto" // 权重衰减
}
},
"scheduler": { // 学习率调度器
"type": "WarmupDecayLR", // 调度器类型
"params": { // 调度器参数
"last_batch_iteration": -1, // 最后批次迭代
"total_num_steps": "auto", // 总步数
"warmup_min_lr": "auto", // 最小学习率
"warmup_max_lr": "auto", // 最大学习率
"warmup_num_steps": "auto" // 热身步数
}
},
"zero_optimization": { // 零优化
"stage": 2, // 零优化阶段
"offload_optimizer": { // 优化器卸载
"device": "cpu", // 设备
"pin_memory": true // 锁页内存
},
"offload_param": { // 参数卸载
"device": "cpu", // 设备
"pin_memory": true // 锁页内存
},
"allgather_partitions": true, // 全收集分区
"allgather_bucket_size": 5e8, // 全收集桶大小
"overlap_comm": true, // 重叠通信
"reduce_scatter": true, // 减少散射
"reduce_bucket_size": 5e8, // 减少桶大小
"contiguous_gradients": true // 连续梯度
},
"activation_checkpointing": { // 激活检查点
"partition_activations": false, // 分区激活
"cpu_checkpointing": false, // CPU检查点
"contiguous_memory_optimization": false, // 连续内存优化
"number_checkpoints": null, // 检查点数量
"synchronize_checkpoint_boundary": false, // 同步检查点边界
"profile": false // 档案
},
"gradient_accumulation_steps": "auto", // 梯度累积步骤
"gradient_clipping": "auto", // 梯度裁剪
"steps_per_print": 2000, // 每次打印步骤
"train_batch_size": "auto", // 训练批次大小
"min_lr": 5e-7, // 最小学习率
"train_micro_batch_size_per_gpu": "auto", // 每个GPU的训练微批次大小
"wall_clock_breakdown": false // 墙上时钟分解
}
（2）对于多卡训练，可以采用ZeRO-3的方式，参数配置见train/pretrain/ds_config_zero3.json
{
"fp16": { // 混合精度训练
"enabled": "auto", // 是否开启混合精度训练
"loss_scale": 0, // 损失缩放
"loss_scale_window": 1000, // 损失缩放窗口
"initial_scale_power": 16, // 初始缩放幂
"hysteresis": 2, // 滞后
"min_loss_scale": 1, // 最小损失缩放
"fp16_opt_level": "O2" // 混合精度优化级别
},
"bf16": { // 混合精度训练
"enabled": "auto" // 是否开启混合精度训练
},
"optimizer": { // 优化器
"type": "AdamW", // 优化器类型
"params": { // 优化器参数
"lr": "auto", // 学习率
"betas": "auto", // 衰减因子
"eps": "auto", // 除零保护
"weight_decay": "auto" // 权重衰减
}
},
"scheduler": { // 学习率调度器
"type": "WarmupDecayLR", // 学习率调度器类型
"params": { // 学习率调度器参数
"last_batch_iteration": -1, // 最后批次迭代
"total_num_steps": "auto", // 总步数
"warmup_min_lr": "auto", // 最小学习率
"warmup_max_lr": "auto", // 最大学习率
"warmup_num_steps": "auto" // 热身步数
}
},
"zero_optimization": { // 零优化
"stage": 3, // 零优化阶段
"overlap_comm": true, // 重叠通信
"contiguous_gradients": true, // 连续梯度
"sub_group_size": 1e9, // 子组大小
"reduce_bucket_size": "auto", // 减少桶大小
"stage3_prefetch_bucket_size": "auto", // 阶段3预取桶大小
"stage3_param_persistence_threshold": "auto", // 阶段3参数持久性阈值
"stage3_max_live_parameters": 1e9, // 阶段3最大活动参数
"stage3_max_reuse_distance": 1e9, // 阶段3最大重用距离
"gather_16bit_weights_on_model_save": true // 在模型保存时收集16位权重
},
"gradient_accumulation_steps": "auto", // 梯度累积步数
"gradient_clipping": "auto", // 梯度裁剪
"steps_per_print": 2000, // 每次打印步数
"train_batch_size": "auto", // 训练批次大小
"train_micro_batch_size_per_gpu": "auto", // 训练每个GPU的微批次大小
"wall_clock_breakdown": false // 墙上时钟分解
}
ZeRO-2和ZeRO-3间的比较如下所示（ChatGPT）：
| 特征 | Zero2（0.2版本） | Zero3（0.3版本） |
|---|---|---|
| 内存占用优化 | 是 | 是 |
| 动态计算图支持 | 不支持 | 支持 |
| 性能优化 | 一般 | 更好 |
| 模型配置选项 | 有限 | 更多 |
| 分布式训练支持 | 是 | 是 |
| 具体应用 | 非动态计算图模型 | 动态计算图模型 |
四.训练效果度量指标
accuracy.py代码的中文注释参考[1]，主要在预训练评估的时候用到了该文件，如下所示：
train/pretrain/accuracy.py
metric = evaluate.load("accuracy.py") # 加载指标
五.中文测试语料
中文测试语料数据格式如下所示：
<s>Human: 问题</s><s>Assistant: 答案</s>
多轮语料将单轮的拼接在一起即可，如下所示：
<s>Human: 内容1\n</s><s>Assistant: 内容2\n</s><s>Human: 内容3\n</s><s>Assistant: 内容4\n</s>
Llama2-Chinese项目中提供的train和dev文件共有3个，如下所示：
data\dev_sft.csv
data\dev_sft_sharegpt.csv
data\train_sft.csv
更多的语料可从Llama中文社区（https://llama.family/）链接下载：
六.中文语料
Atom-7B是一个基于Llama2架构的预训练语言模型，Llama中文社区将基于大规模中文语料，从预训练开始对Llama2模型进行中文能力的持续迭代升级。通过以下数据来优化Llama2的中文能力：
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 网络数据 | 互联网上公开的网络数据，挑选出去重后的高质量中文数据，涉及到百科、书籍、博客、新闻、公告、小说等高质量长文本数据。 |
| Wikipedia | 中文Wikipedia的数据 |
| 悟道 | 中文悟道开源的200G数据 |
| Clue | Clue开放的中文预训练数据，进行清洗后的高质量中文长文本数据 |
| 竞赛数据集 | 近年来中文自然语言处理多任务竞赛数据集，约150个 |
| MNBVC | MNBVC 中清洗出来的部分数据集 |
说明：除了网络数据和竞赛数据集这2个没有提供链接，其它的4个都提供了数据集的链接。
参考文献：
[0]https://github.com/ai408/nlp-engineering/blob/main/20230916_Llama2-Chinese/train/pretrain/pretrain_clm.py
[1]https://github.com/ai408/nlp-engineering/blob/main/20230916_Llama2-Chinese/train/pretrain/accuracy.py
[2]https://github.com/ai408/nlp-engineering/blob/main/20230916_Llama2-Chinese/train/pretrain/pretrain_log/pretrain_log
[3]https://huggingface.co/meta-llama/Llama-2-7b-hf/tree/main
[4]https://huggingface.co/spaces/ysharma/Explore_llamav2_with_TGI
[5]https://huggingface.co/meta-llama/Llama-2-70b-chat-hf
[6]https://huggingface.co/blog/llama2
[7]https://developer.nvidia.com/rdp/cudnn-download
[8]https://github.com/jllllll/bitsandbytes-windows-webui
[9]https://github.com/langchain-ai/langchain
[10]https://github.com/AtomEcho/AtomBulb
[11]https://github.com/huggingface/peft
[12]全参数微调时，报没有target_modules变量：https://github.com/FlagAlpha/Llama2-Chinese/issues/169
[13]https://huggingface.co/FlagAlpha
[14]Win10安装DeepSpeed：https://zhuanlan.zhihu.com/p/636450918
