大模型LLM微调策略一览
大语言模型（LLM）借助大规模数据集进行训练，能够在零样本或少样本提示下完成多种任务。随着检索增强生成（RAG）方法的兴起，这些通用模型越来越多地被组织用于各种应用，从简单的聊天机器人到更复杂的智能自动化代理。尽管像 GraphRAG 这样的技术已经被开发出来，用于基于实体跨文档提取关系，但由于基础模型缺乏足够的上下文，这些技术可能无法完全满足每个领域的特定需求。这一局限性导致每月都有新的模型不断被推出。
对于领域特定的模型，可以在现有LLM架构的基础上调整其权重，使其学习特定领域的上下文信息，这一过程被称为** 微调（fine-tuning） **。在本文中，我们将探讨语言模型的微调过程，分析微调的多种类型、涉及的关键考虑因素，并举例介绍一种几乎无需编码的开源工具。
微调
为了更好地理解微调，我们用一个类比来说明。想象你是一名学生，正在为一场科学考试做准备。你从课堂上获得了扎实的基础知识。随着考试临近，你开始专注于即将考查的特定主题。你通过练习题检验自己的理解，然后根据表现重新审视相关的学习材料。与此同时，你可能会向朋友寻求指导、查阅在线资源或重温关键主题。
这一过程与微调非常相似：我们利用一个经过预训练的模型（就像拥有扎实基础的学生），让它专注于特定任务（复习特定主题），评估其表现（通过练习测试），并反复迭代，直到根据性能指标实现最佳结果。正如一个学生能够在特定领域达到精通一样，我们也可以开发一个在某些领域或多个领域都表现卓越的语言模型。最终，这一过程的成效取决于所选模型、具体任务以及所使用训练数据的质量。
微调应用场景
在深入探讨微调之前，让我们通过一些场景分析它为何必要。
语言学习
以下是两个Llama版本在回答泰米尔语问题时的对比。
示例：
基础模型
微调后的模型
如上图所示，基础版本的Llama模型难以理解请求的语言，而经过微调的模型则能够流利地用泰米尔语响应。这一能力来自微调过程，使模型能够学习并识别新语言中的模式。
简单的RAG应用无法有效地将新上下文与现有知识联系起来。在需要模型整合和学习多样化上下文的情况下，微调显得尤为重要。
可控输出
大模型开发中的一个重要挑战是大模型的可控输出。假设一个税务助手AI突然开始回答心理健康相关的问题。这种多功能性固然令人惊叹，但也可能带来风险，尤其是在涉及敏感领域时。
即使通过指令限制模型不回答特定问题，也存在以下问题：
• 提示注入攻击（Prompt Hacking）： 用户可以通过操纵输入绕过限制。
• 上下文窗口问题： 大模型的上下文窗口有限，尽管像Llama 3.1提供128k的上下文窗口，但过多的指令仍然会占用实际内容的空间。
有效的提示模板可以有所帮助，但无法涵盖所有可能的细微差别。即使上下文窗口变大，也不能完全解决问题，这使得微调成为更可靠的选择。例如，Meta推出的LlamaGuard是一个经过微调的Llama版本，用于防止有害响应并强化聊天安全。
角色定制
新闻媒体通常报道相同的新闻，但每个渠道的视角和风格都不同。想象一个辅助写作的聊天助手，通过多个来源收集信息。如果您使用预训练模型（如ChatGPT），通过设计有效的用户指令和系统提示可以生成有用的新闻摘要。然而，这些内容可能并不完全符合您组织的风格或准则。
通过使用您团队撰写的新闻文章对模型进行微调，可以确保生成的内容始终符合您的组织语调和标准。此外，许多初创企业正在开发企业级AI角色，简化重复性任务。
小参数但智能
实现卓越表现并不总需要庞大的模型。参数规模较小的模型（甚至仅有几百万参数）通常能够以更高的效率完成特定任务，同时节约运行成本。这一策略显著降低了模型运行和维护的成本。
本文将探讨一种称为** 参数高效微调（PEFT）** 的技术。这一方法利用矩阵分解将大模型转换为更小、更易管理的形式，从而避免使用全部参数以完成目标任务。
微调考量
在微调之前，需要考虑以下因素：
- ** 数据充足性 **： 是否拥有足够的数据用于有效训练模型？
- ** 硬件可用性 **： 是否有必要的硬件用于训练和运行模型？
- ** RAG策略 **： 问题是否可以通过现有LLM API和RAG方法解决？
- ** 上线时间 **： 您需要多快将服务投入使用？
这些考虑因素将帮助您判断是否应采用微调方法，或者通过现有API结合打造统一产品。
参数高效微调 (PEFT)
参数高效微调（PEFT）是一种技术，其核心思想是并非需要更新大型语言模型（LLM）的所有参数才能实现最佳性能。通过冻结大多数参数，仅优化一小部分关键参数，可以显著减少微调所需的计算资源和时间。
想象一间教室里有一名学生，在许多学科中表现优秀，但在某些特定领域需要提高。与其彻底重建整个课程，老师会在这些领域提供有针对性的额外练习。这种方法效率更高，因为它基于学生现有的知识，集中资源在最需要的地方。同样，在PEFT中，我们仅优化最具影响力的权重。
通过冻结大多数参数、继续使用残差连接（residual connections）、并应用适当的正则化技术，这些模型能够保留其已有知识，从而避免灾难性遗忘（catastrophic forgetting）。例如，像GaLore这样的方法使得在个人计算机上微调大型模型（如Llama-3）成为可能，从而让高级语言建模更易于实现。
如上图所示，PEFT方法可分为三大类：
- ** 基于添加 (Addition-based) **： 通过在现有模型中添加新的可训练参数模块来实现微调。这些新增模块通常会减少对原始模型参数的修改，从而提高训练效率。
- ** 基于选择 (Selection-based) **： 从基础模型中选择一个参数子集进行微调，而不是对整个模型的所有参数进行优化。这种方法通过专注于最相关的参数，显著降低计算成本。
- ** 基于重新参数化 (Reparametrization-based) **： 使用替代表示形式对模型进行微调。例如，通过将权重矩阵分解为低秩表示，仅优化分解后的小部分参数。
接下来，我们将探讨几种代表性的PEFT技术，需注意的是，这些技术并非相互排斥，可以结合使用。
适配器（Adapters）
适配器属于基于添加（Addition-based）的PEFT方法。它们是添加到现有Transformer架构中的前馈模块，用于减少全连接层之间的参数空间，如下图所示。
如何减少特征空间？
假设一个全连接层将256维输入降维到16维，然后下一个全连接层将其重新升维回256维。计算其参数数量为：256 x 16 + 16 x 256 = 8192
相比之下，单个全连接层直接将256维输入映射到256维输出需要：256 x 256 = 65536
通过这种方式，适配器模块显著减少了参数数量。在适配器微调中，仅对适配器模块、层归一化（Layer Norms）和最终输出层进行训练，而不是调整整个模型的所有参数。这使得训练更快且更高效。
低秩适配 (LoRA)
这是一种重新参数化（Reparameterization）的方法，通过采用语言模型的替代表示形式进行微调。该技术通过将注意力层中的大权重矩阵分解为两个较小的矩阵，显著减少了微调过程中需要调整的参数数量。与直接分解矩阵不同，它从分解后的表示（伪分解）中进行学习。
相比于向模型添加新参数，LoRA方法专注于这种替代表示形式。一般共识是根据训练数据量和模型规模设置秩（rank）r，以缓解过拟合问题并有效管理模型预算。同时，研究表明LoRA的特性是“学得少，忘得少”，这也是预期的结果。
假设我们有两个矩阵A和B，分别包含 100 和 500 个参数。那么，总的权重参数数量WA和WB为：
WA x WB = 100 * 500 = 50000
现在假设秩（rank）为 5，新生成的权重矩阵WA和 WB 分别为：
WA = 100 x 5 = 500，WB = 500 x 5 = 2500
新的权重参数数量为：
W = WA + WB = 3000
相比原始的 50,000 个参数，这减少了 94%。
通过抑制和放大内部激活的注入式适配器 (IA3)
IA3 是另一种基于添加的微调方法，涉及三个阶段：向量添加、重新缩放（抑制/放大）以及下游任务的微调。在微调过程中，学习到的向量用于对模型中相应的元素进行重新缩放。这种缩放可以根据学习向量的值来抑制（减少）或放大（增加）激活值。通过这种方式，模型在特定任务中调整其表现。最终，这些重新缩放的向量在下游任务中微调，随着微调过程的进行，向量不断更新以优化模型性能。
具体包括以下三种新增向量：
- 键值重新缩放向量（Key Rescaling Vector）：
该向量与自注意力层中的键（keys）相乘。 - 值重新缩放向量（Value Rescaling Vector）：
该向量与自注意力层以及编码器-解码器注意力层中的值（values）相乘。 - 中间激活重新缩放向量（Intermediate Activation Rescaling Vector）：
该向量与位置前馈网络中的中间激活相乘。
这种方法可以简单理解为，模型在处理输入数据时，会针对不同的任务“调整音量”。“音量大”意味着放大激活值，“音量小”意味着抑制激活值，从而灵活地适应任务需求。比如，在文本分类任务中，模型可能需要放大与关键主题词相关的激活值，而抑制无关词的激活值，以确保准确地分类。同样地，在机器翻译任务中，模型可能会放大与句子语法结构相关的激活值，而对不影响翻译质量的冗余信息进行抑制。通过这种方式，IA3不仅能够以最少的参数调整完成对任务特定需求的适配，还能提高计算效率，减少过拟合风险，保持模型整体性能。
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