QLoRa：在消費級GPU上微調大型語言模型
大多數大型語言模型(LLM)都無法在消費者硬件上進行微調。例如，650億個參數模型需要超過780 Gb的GPU內存。這相當于10個A100 80gb的gpu。就算我們使用云服務器，花費的開銷也不是所有人都能夠承擔的。
而QLoRa (Dettmers et al.， 2023)，只需使用一個A100即可完成此操作。
在這篇文章中將介紹QLoRa。包括描述它是如何工作的，以及如何使用它在GPU上微調具有200億個參數的GPT模型。
為了進行演示，本文使用nVidia RTX 3060 12 GB來運行本文中的所有命令。這樣可以保證小顯存的要求，并且也保證可以使用免費的Google Colab實例來實現相同的結果。但是，如果你只有較小內存的GPU，則必須使用較小的LLM。
QLoRa: Quantized LLMs with Low-Rank Adapters
2021年6月，發布的LoRa讓我們的微調變得簡單，我也在以前的文章中也有過介紹。
LoRa為LLM的每一層添加了少量的可訓練參數（適配器），并凍結了所有原始參數。這樣對于微調，只需要更新適配器權重，這可以顯著減少內存占用。
而QLoRa更進一步，引入了4位量化、雙量化和利用nVidia統一內存進行分頁。
簡而言之，QLoRa工作原理如下:
- 4位NormalFloat量化:這是一種改進量化的方法。它確保每個量化倉中有相同數量的值。這避免了計算問題和異常值的錯誤。
- 雙量化:QLoRa的作者將其定義如下“對量化常量再次量化以節省額外內存的過程。”
- 統一內存分頁:它依賴于NVIDIA統一內存管理，自動處理CPU和GPU之間的頁到頁傳輸。它可以保證GPU處理無錯，特別是在GPU可能耗盡內存的情況下。
所有這些步驟都大大減少了微調所需的內存，同時性能幾乎與標準微調相當。
使用QLoRa對GPT模型進行微調
下面的演示工作在具有12gb VRAM的GPU上，用于參數少于200億個模型，例如GPT-J。
如果你有一個更大的卡，比如24gb的VRAM，則可以用一個200億個參數的模型，例如GPT-NeoX-20b。
內存建議至少6 Gb，這個條件現在都能滿足對吧。
GPT-J和GPT-NeoX-20b都是非常大的模型。所以硬盤議至少有100gb的可用空間。
如果你的機器不滿足這些要求，可以使用Google Colab的免費實例，因為它就足夠使用了。
軟件要求:
必須要CUDA。這是肯定的。然后還需要一些依賴:
- bitsandbytes:包含量化LLM所需的所有庫。
- Hugging Face的Transformers和Accelerate:這些是標準庫，用于訓練模型。
- PEFT:提供了各種微調方法的實現，我們只需要里面的LoRa。
- 數據集:自己的數據集，這里安裝了Hugging Face的datasets，這個是備選，裝不裝無所謂，因為這玩意挺難用的
PIP安裝命令如下：
pip install -q -U bitsandbytes
pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/transformers.git
pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/peft.git
pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/accelerate.git
pip install -q datasets下面就是Python代碼
1、GPT模型的加載與量化
我們需要以下導入來加載和量化LLM。
import torch
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig我們將對EleutherAI預訓練的GPT NeoX模型進行微調。這是一個有200億個參數的模型。注意:GPT NeoX具有允許商業使用的寬松許可證(Apache 2.0)。
可以從hug Face Hub獲得這個模型和相關的標記器:
model_name = "EleutherAI/gpt-neox-20b"
#Tokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)然后配置量化器，如下所示:
quant_config = BitsAndBytesConfig(
load_in_4bit=True,
bnb_4bit_use_double_quant=True,
bnb_4bit_quant_type="nf4",
bnb_4bit_compute_dtype=torch.bfloat16
)- load_in_4bit:模型將以4位精度加載到內存中。
- bnb_4bit_use_double_quant:QLoRa提出的雙量化。
- bnb_4bit_quant_type:這是量化的類型。“nf4”代表4位的NormalFloat。
- bnb_4bit_compute_dtype:當以4位加載和存儲模型時，在需要時對其進行部分量化，并以16位精度(bfloat16)進行所有計算。
然后就可以加載4位模型:
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_name, quantization_cnotallow=quant_config, device_map={"":0})下一步啟用梯度檢查點，這樣可以減少內存占用，但是速度會稍微降低一些:
model.gradient_checkpointing_enable()2、LoRa的GPT模型預處理
為LoRa準備模型，為每一層添加可訓練的適配器。
from peft import prepare_model_for_kbit_training, LoraConfig, get_peft_model
model = prepare_model_for_kbit_training(model)
config = LoraConfig(
r=8,
lora_alpha=32,
target_modules=["query_key_value"],
lora_dropout=0.05,
bias="none",
task_type="CAUSAL_LM"
)
model = get_peft_model(model, config)在LoraConfig中，可以使用r、alpha和dropout來獲得更好的任務結果。具體內容可以在PEFT文檔中找到更多選項和詳細信息。
使用LoRa，我們只添加了800萬個參數。并且只訓練這些參數，這樣使得微調很快。
3、數據集
對于這個演示，我們使用“english_quotes”數據集。這是一個由名言組成的數據集，在CC BY 4.0許可下發布。我們為了方便使用datasets直接加載。
from datasets import load_dataset
data = load_dataset("Abirate/english_quotes")
data = data.map(lambda samples: tokenizer(samples["quote"]), batched=True)4、微調
微調的代碼非常標準
import transformers
tokenizer.pad_token = tokenizer.eos_token
trainer = transformers.Trainer(
model=model,
train_dataset=data["train"],
args=transformers.TrainingArguments(
per_device_train_batch_size=1,
gradient_accumulation_steps=8,
warmup_steps=2,
max_steps=20,
learning_rate=2e-4,
fp16=True,
logging_steps=1,
output_dir="outputs",
optim="paged_adamw_8bit"
),
data_collator=transformers.DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer, mlm=False),
)
trainer.train()要記住optim=”paged_adamw_8bit”。它將使用分頁實現更好的內存管理。沒有它可能會出現內存不足錯誤。
在Google Colab上運行這個微調只需要5分鐘。VRAM消耗的峰值是15gb。
它有用嗎?讓我們試試推理。
基于QLoRa推理
微調的QLoRa模型可以直接與標準的Transformers的推理一起使用，如下所示:
text = "Ask not what your country"
device = "cuda:0"
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt").to(device)
outputs = model.generate(**inputs, max_new_tokens=20)
print(tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True))你應該得到這樣的輸出:
Ask not what your country can do for you, ask what you can do for your country.”
– John F.5分鐘的微調效果還可以吧。
總結
LoRa讓我們的微調變得簡單，而QLoRa可以讓我們使用消費級的GPU對具有10億個參數的模型進行微調，并且根據QLoRa論文，性能不會顯著下降。
如果你對QLoRa感興趣，看看他的代碼吧：
