现代LLM基本技术整理

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作者：hadiii，北京大学 电子信息硕士在读

本文从Llama 3报告出发，基本整理一些现代LLM的技术。'基本'，是说对一些具体细节不会过于详尽，而是希望得到一篇相对全面，包括预训练，后训练，推理，又能介绍清楚一些具体技术，例如RM，DPO，KV Cache，GQA，PagedAttention，Data Parallelism等等的索引向文章。由于东西比较多，且无法详尽细节，所以推荐大家二次整理为自己的笔记。

本文的主要参考是Llama Team的The Llama 3 Herd of Models报告原文，以及沐神回归B站新出的论文精读系列。同时也包括一些知乎的优秀文章。

1 Intro

Illustration of the overall architecture and training of Llama 3

Overview of the Llama 3 Herd of models.

1.1 现代基础模型训练的主要阶段

（a）预训练阶段（pre-training stage）：算法相对直接，一般是用大量的数据去做下一个词的预测（next-word prediction）。

（b）后训练阶段（post-training stage）：算法比较丰富，包括SFT，RLHF，DPO等等。任务上看，包括让模型做一些指令跟随的任务（instruction following），将模型偏好对齐到人类喜好上（align with human preferences），或者提高模型在特定任务的能力，例如code，math，roleplay等等。

从过去的模型看，基本上可以认为GPT1，2，3都是在做pre-training，而InstructGPT和RLHF则是在做post-training。以上是较为笼统的介绍。

1.2 现代基础模型训练的关键

Meta：We believe there are three key levers in the development of high-quality foundation models: data, scale, and managing complexity.

meta认为现代基础模型训练的关键是：data, scale, and managing complexity。

（a）关于data ，Llama系列有堆数据的传统：相较于Llama 2 1.8T的预训练语料，Llama 3的预训练语料堆到了15T的multilingual tokens。

沐神：15个T可能是目前在公有的网络上面，能够抓到的文本数据的一个大概的上限，这个'上限'的意思是指，与其再找一些增量的数据，不如去调整现有的数据的质量。

（b）关于scale，Llama 3.1提供了8B，70B，405B三个规模。每个规模的性能差异可参考下面的benchmark。

（c）关于managing complexity，复杂度管理，说白了即Llama 3的算法相对简单。Llama 3选择了一个标准的稠密Transformer模型架构，只进行了少量调整，而没有选择MOE。后训练方面，Llama 3采用了SFT、RS和DPO，即一套'相对简单'的过程，而不是更复杂的RLHF算法，因为后者往往稳定性较差且更难以扩展。这些都属于design choice。2，3章会详细介绍相关技术。

1.3 benchmark表现

Llama 3各规格模型的benchmark表现如下。简要介绍其中的MMLU和IFEval。

Performance of finetuned Llama 3 models on key benchmark evaluations.

（a）MMLU系列 ：类似于各种考试里面的选择题，只是主要考察模型的知识面（背答案）。

Question: Glucose is transported into the muscle cell:Choices:
A. via protein transporters called GLUT4.
B. only in the presence of insulin.
C. via hexokinase.
D. via monocarbylic acid transporters.Correct answer: A

原版MMLU是比较老的benchmark，存在大家overfit的可能性。MMLU-Pro相对更新一些，可以看到在MMLU-Pro上，8B，70B，405B的差距相当大，说明参数规模和内化到权重中的知识量还是非常相关的。

（b）IFEval ：IF即Instruction Following，考察模型对指令的理解和遵循能力。原文见：IFEval Dataset | Papers With Code[1]。

IFEval 示例

在IFEVAL上，8B和70B的差距还是很明显的（80.4/87.5），而70B和405B的差距已经不明显了（87.5/88.6）。说明参数规模到达一定程度后，再想通过扩大规模来提IF能力，可能会逐渐不显著。

（c）剩下的benchmark则偏垂直一些，分别包含了Code，Math，Reasoning，Tool use，Long context，Multilingual，可参见报告原文。

补充：上述评估集既然都有overfit和leaking的风险，那还有没有其他的benchmark呢？当然，比如LiveBench这种monthly更新的benchmark，LiveBench[2]。不过，天底下是没有完美的benchmark的，尤其是对于具体业务而言。

总体上看，8B和70B在各方面差距都还是比较明显，但70B和405B在以上的评估集中，则差异相对小一些。405B的推理和训练都比较慢，一般情况下，70B算是复杂应用的首选。如果特别复杂，再考虑405B，毕竟性价比还是会差一些。值得一提的是，Llama 3.1 70B在IFEval上接近Claude3.5 sonnet的水准。

2 Pre-Training

 

Meta：Language model pre-training involves: (1) the curation and filtering of a large-scale training corpus, (2) the development of a model architecture and corresponding scaling laws for determining model size, (3) the development of techniques for efficient pre-training at large scale, and (4) the development of a pre-training recipe. We present each of these components separately below.

上文比较笼统地说明了Pre-Training的要点。

2.1 Pre-Training Data

• • Web Data Curation

预训练数据处理的要点包括de-duplication methods and data cleaning mechanisms，即去重和清洗，如果做得不好，质量会很差。具体报告中的Web Data Curation章节提到了以下内容：

（a）PII and safety filtering：报告提到预训练数据中移除了包含PII（personally identifiable information，关于人的身份信息，隐私信息）和成人内容的域名。但具体是什么一个标准来锚定该数据是否属于PII和成人内容，未给出示例一类的说明，所以大概率是混了一些进去的。

（b）Text extraction and cleaning：由于web data是raw HTML content，所以Llama构建了一个parser来解析各类文档。有趣的观点是，报告认为Markdown对模型的性能有害，因此删除了所有Markdown marker。但挪掉之后具体怎么做的，未加说明。

（c）De-duplication：Llama使用了三个级别的去重，URL，document, and line level。具体来说，URL去重即保留每个URL对应页面的最新版本。document级别则在整个数据集上采用了global MinHash来去除近似重复的文档。line level的具体做法则是按照每30M的documents进行搜索，去除其中出现超过6次的文本行。

（d）Heuristic filtering：启发式的过滤。包括n-gram的过滤，如果n比较长，重复较多，则把该行去掉，典型的例子是logging文本。也包括危险词的过滤，如果一个网页的dirty word太多，则去掉。报告还提到使用了基于token-distribution Kullback-Leibler divergence（KL散度）的方法来过滤过于奇葩的数据。即如果一个文档和其他文档算KL的距离差太远的话，就把该文档标记为奇怪的文档去掉。

KL散度的概念比较常用，是用于衡量两个概率分布之间的差异程度。定义为：

 

（e）Model-based quality filtering：基于模型的分类。比如fasttext和基于Llama 2训练的Roberta-based classifiers，分类包括分高质量or低质量，也可以是打领域tag等等。

（f）Code and reasoning data and Multilingual data：也是一些特定数据的抽取pipeline，花钱花人力做的一些工作。

• • 数据混合（Data Mix）

数据配比确实相当重要，且是实验性较强的工作（炼丹），烧钱烧时间出成果。报告中提到了Knowledge classification和scaling law的一些实验。

（a）Knowledge classification. 即使用一个分类器划分数据的类别，例如客观知识类，娱乐八卦类，成人内容类......娱乐八卦类的数据对模型就不太好，分类后就可以让这类数据少来一些。

**（b）Scaling laws for data mix. **即多做不同配比的实验，看指标变化。稍详细一点说，是在不同的小模型上做不同的配比实验，然后用来预测更大scale的最优配比。

总结，最后的预训练数据大概是50%的general knowledge，25%的mathematical and reasoning数据，17%的code数据，8%的多语言数据。

• • 退火数据（Annealing Data）

报告发现，在少量高质量的code和math的数据上做一下学习率的退火，能够提升预训练模型的benchmark performance。这很符合直觉，即'考前多背一下题目考的会更好一些'。（？）

具体来说，是在大量通用数据的训练完成后，用一小撮高质量的特定领域数据继续训练，同时将学习率慢慢降低。Llama 3在预训练的最后40M token采取了将LR线性退火到0的方法，同时配合数据配比调整。最后8B模型在GSM8k和MATH验证集上提升不错，但对405B的模型提升却可以忽略不计，说明该参数规模的模型也许不需要specific in-domain的训练样本来提升性能。

同时，报告提到可以使用退火来评估domain-specific的小数据集的质量，比做Scaling Law的相关实验效率更高。

2.2 Model Architecture

总体上看，Llama 3相较于2做了以下改动：GQA，面向一个sequence内部的不同文档的attention mask，128K tokens的词表，RoPE的调整。

 

• • 基本推理过程 -> KV Cache -> GQA

Llama 3使用标准的Dense Transformer架构，性能的提高主要来自于数据质量和多样性的改进，以及训练规模的增加（很喜欢说一些实话）。当然，和Llama 2相比还算有一些改变：

例如上述提到的Grouped Query Attention：GQA用于加速推理，节省解码的内存。对于70B及以上的模型，几乎是必须用的技术。GQA涉及到KV Cache，KV Cache涉及到基本的推理过程，因此从推理开始写。

（a）基本推理过程

LLM推理过程

1、输入的Text，根据词表被切分成n个token/token ids，n个token ids被映射为n个embedding向量，即1个embedding矩阵；

2、embedding矩阵通过L个transformer block（内部有各种注意力计算和FFN层），在最后一层输出一个与输入形状相同的embedding矩阵；

3、输出的n个embedding再过一个线性层lm_head，该线性层的输出形状和词表大小一致。线性层输出再接一个softmax，就得到了next token的概率分；

4、随后再根据解码策略采样即可。Next token被算出来后，加入输入的token序列（长度为n+1），继续计算第n+2个token，这就是自回归。

（b）KV Cache

由于在计算第n+1个token时，L个Transformer block的中间结果是可以被保存下来的，所以也许可以复用它们。我们把第  层，第  个token的输出记为  。不难发现，需要计算第n+2个token时，有很大一部分中间结果和计算n+1时相同。可表示为：

输入token序列:  与输入 token 序列为 的中间结果 一致，所以我们利用缓存来可以减少大量的计算。

 

因此，LLM推理过程分为Prefill和Decode两个阶段，Prefill阶段会对Prompt中所有的token做并行计算，得到Prompt中所有Tokens的KV Cache以及计算得到首Token。Prompt Tokens计算得到的KV Cache会保存下来，留给Decode阶段复用；

Decode阶段是一个自回归过程，每解码一个新的Token，都需要用到所有之前计算得到的KV Cache来计算当前query token的Attention。因此，当输出长度越来越大或者context很长时，KV Cache将会占用大量的显存。

本段内容以及下图引用自：[KV Cache优化] MQA/GQA/YOCO/CLA/MLKV笔记: 层内和层间KV Cache共享[3]。

 

 

所以现在也存在prefix caching的概念，简单地说，就是把特定前缀的KV Cache缓存起来保留备用。对于指令复杂，prompt较长的任务，或者多轮对话场景非常有效。vllm已经可以很方便地开启prefix caching，对长输入短输出的固定任务优化较好。KV Cache有大量的方向可以做，是LLM推理优化的核心之一。

（c）GQA，Grouped Query Attention

GQA是从模型层面降低KV Cache大小的手段之一。聊GQA之前的惯例是聊MHA和MQA。

MHA，即Multi Head Attention，多头注意力，Transformer原文的attention形式。如下图所示，MHA中每个Query向量都会对应一个Key，Value，其输出会把每个注意力头的输出拼接起来。因此也会存较多的KV Cache。

MQA，即Multi Query Attention。如下图所示，MQA的思路比较直接，就是让每个注意力头共用一个KV，很显然，相较于MHA，KV Cache的占用直接减少到了1/head_num。不过，由于结构的修改和Attention部分的参数量降低，模型效果也必然受到影响。MQA似乎还是有些暴力。

因此出现了平衡的版本，即GQA，Grouped Query Attention。和图中一致，即将Queries进行分组，每组对应一个KV，用一种折中的方法实现了减少计算量和KV Cache大小。

 

• • RoPE，旋转位置编码

首先应该聊聊经典的正弦编码。上文在LM的一次推理过程中提到，token会映射为embedding向量，在经典transformer的结构中，这个embedding向量是词嵌入向量（实体的'孤立'语义）和位置编码（实体间的'关联'语义）的叠加。如何表征token的位置，则是位置编码研究的问题。

《动手学深度学习PyTorch版》：全要点笔记[4]，经典transformer架构的位置编码是正弦编码。

 

正弦编码存在一些可能的问题，比如对相对位置的表示较弱。RoPE则尝试在解决这些问题。

2.3 Scaling Laws

最初的形式

简单来说，就是可以用小模型的一些实验结果来预测更大模型的结果。Scaling Law由OpenAI提出，有两个大家熟知的结论：

1、对于Decoder-only的LM，计算量  ，模型参数量  ，数据大小  ，三者满足  。其中  的单位是Flops，  是token数；

2、模型的最终性能主要与 ，， 相关，与模型的具体结构（高矮胖瘦）相关性不高。

 

-** Llama报告的内容？**

之前的Scaling Law的预测方法主要是从next-token prediction loss（训练时的validation loss）出发的，但这个loss和具体的任务表现不一定是绝对相关的。因为next-token prediction loss并不和具体任务表现（例如数学）绝对挂钩。所以Llama 3在做Scaling Law的实验时，做了一个two-stage的方法：

step1：预测模型在具体下游任务上的NLL loss，这个NLL loss还是和compute（FLOPs）挂钩，成函数关系；

step2：利用Scaling Law将step1中的loss和具体的task accuracy关联起来。例如1.4的NLL loss对应0.25的accuracy，1.2的误差对应0.95的accuracy，所以这个规律和具体也可以解耦，得到对于一个具体benchmark的Scaling Law曲线，x，y轴分别为loss和accuracy。

具体可见下图。ARC Challenge benchmark是一个做推理的多选题任务集。发现Scaling Law的预测还是挺准的。不过要注意，不同任务的benchmark曲线可能也长得不一样。

 

2.4 Training Recipe

Llama 3的预训练策略主要由三步构成，分别为：(1) initial pre-training, (2) long-context pre-training, and (3) annealing.

Initial Pre-Training

主要是一些细节。简单翻译下。我们使用 AdamW 对 Llama 3 405B 进行预训练，peak learning rate 为  ，linear warm up为 8000 步，以及cosine learning rate（预计在 1,200,000 步中衰减到  ）。为了提高训练稳定性，我们在训练初期使用了较小的批次大小，并随后增加了批次大小以提高效率。具体来说，我们使用的initial batch size为4M 的tokens，长度为 4096 的序列，在训练了 252M tokens后后将这些值加倍，8M sequences of 8,192 tokens。在训练了2.87 T token后，再次将加倍到 16M。我们发现这种训练配方非常稳定：我们观察到的损失峰值（loss spikes）很少，并且不需要进行干预来纠正模型训练的偏差。

同时也做了一些data mix的调整。比如多拿非英语数据，数学数据，更多的最新网络数据等等。

Long Context Pre-Training

简单翻译下。在预训练的最后阶段，我们对 long sequences 进行训练，以支持最多 128K tokens 的 context窗口。我们之前没有对 long sequences 进行训练，因为在 self-attention layers 中的计算量随 sequence length 呈平方增长。我们逐步增加支持的 context length，进行 pre-training，直到模型成功适应了增加的 context length。

我们通过以下两点评估成功的适应性：(1) 模型在 short-context evaluations 中的表现是否完全恢复，具体来说可能就是MMLU这些评测集；(2) 模型是否能完美解决长度达到该值的 'needle in a haystack' 任务（大海捞针任务）。

在 Llama 3 405B 的 pre-training 中，我们逐步在六个阶段增加了 context length，从最初的 8K context窗口开始，最终达到 128K context窗口。这个 long-context pre-training 阶段使用了大约 0.8T tokens。

Annealing

见2.1 Pre-Training Data，同退火数据（Annealing Data）一节的内容。

3 Post-Training

下图很清晰地概括了Llama 3的后训练思路，要素包括RM，SFT，RS，DPO。本章会一一介绍。后训练是业内绝大多数NLPer做的事情。

Illustration of the overall post-training approach for Llama 3.

Llama 3后训练策略的backbone是一个Reward Model和一个Language Model。首先利用人类标注的偏好数据，在pre-trained checkpoint之上训练一个RM。然后，对pre-trained checkpoint做SFT，之后用DPO做对齐，作为本轮的最佳模型，进入下轮迭代，参与Rejection Sampling过程。

注意到，训练是迭代式的，即有多轮方法相同的训练。具体来说，Llama 3进行了6轮的循环。在每个周期中，收集新的偏好标注和 SFT 数据，并从最新的模型中采样合成数据。

3.1 Reward Model

红框部分是RM的训练路径

首先应该简介一下Reward Model（RM）。Reward Model是一种通过”偏好排序数据“（A >> B > C = D）训练得到的模型，能够给一段文本一个偏好性（例如安全性，拟人性，或者某种综合性的偏好）的分数。这个分数是一个标量，体现了人类的某种偏好。

而且，A > B可能不仅是A > B，也可能是远好于，稍好于，这个其实也能在损失函数里体现出来（margin loss），即Llama 2论文中  的部分：

 

Preference Data构建

Llama详细讲解了Preference Data的构建过程。大概是这样几个step：

step 1. 使用不同的数据配比和训练策略训练出多个for annotation的模型。部署多个不同的模型，针对一个具体的user prompt采样出两个来自不同模型的response。

step 2. 标注同学会按照“好多少”的标准，对response对进行打分，包括四个等级：significantly better, better, slightly better, or marginally better。

step 3. 偏好标注好后，鼓励标注同学去“edit”chosen response，即他们上一步已经选择了更好的那个答案，改的更好。既可以直接修改chosen response本身，也可以修改prompt来refine这些数据。

所以，最后有一部分偏好数据是有三个ranked response的，即edited > chosen > rejected。最后，得到了这样的数据构成。

 

训练

训练和Llama 2类似。但是Llama 3反而在损失函数中去掉了margin loss，即上文的  ，因为观察到在数据规模扩大后，margin的改进效果逐渐减弱，不如简化。

3.2 SFT

SFT大概是大多数同学接触LLM训练的首选。SFT，即使用标准的交叉熵损失（standard cross entropy loss），同时mask prompt部分的loss，训练target tokens的过程。

SFT Data构建

SFT数据有很多个来源：Rejection Sampling的数据，针对特定能力的合成数据，少量的人工标注数据。

Rejection Sampling

Rejection Sampling的过程，就是固定模型和prompt，让LM采样出K个不同的答案，根据RM的K个不同的分数，选出最优答案。然后将该最优答案作为SFT数据，做迭代式的训练。其中，模型一般是前一轮训练中表现最好的checkpoint，K则可以调整，一般是10-30。采样也有很多细节，涉及到preference pair构造，比如rejected可能不能无脑选最差的，这些需要实验。

为了提高拒绝采样的效率，Llama 3采用了PagedAttention。在 PagedAttention 中，内存浪费只会发生在序列的最后一个块中，可以很好地提升吞吐量。PagedAttention的内存共享也是很好的优化，在Rejection Sampling中，多个response是由同一个prompt生成的。在这种情况下，prompt 的计算和内存可以在输出序列中共享。这里做一些简单介绍。

PagedAttention

think of blocks as pages, tokens as bytes and requests as processes。

PagedAttention也是主流推理加速框架vLLM之选。大家应该都学过OS课，了解虚拟内存，内存分页管理，内存碎片的概念。PagedAttention也是受到OS的启发，认为KV Cache 没有必要存储在连续的内存中，而是像操作系统一样，把块的概念引入为“page”，byte的概念引入为“token”，进程的概念引入为“request”。

2.2节中我们提到，由于在计算第n+1个token时，L个Transformer block的中间结果是可以被保存下来的，所以也许可以复用它们。这被称作KV Cache。

但是KV Cache非常大，需要一块连续内存来存储。并且，我们在接收到sequence之前，并不知道需要预留多少连续内存，所以只能预先分配一个最大可能长度的cache，导致了很多浪费，这被称为“内部碎片”。而由于我们给多个sequence分配了内存，所以剩下的内存不足以分配给新的sequence，这一部分内存实际上也没用了，所以也造成了浪费，这被称为“外部碎片”。

PagedAttention 允许在非连续的内存空间中存储连续的 key 和 value 。具体来说， 它将每个序列的 KV cache 划分为块，每个块包含固定数量 token 的键和值。因此，对于1个sequence，最多会有1个page是有内存碎片的。由于按块分配，外部碎片则彻底没有了。这和OS中的分页存储解决的问题一致。

 

回到SFT Data，最后，得到了这样的数据构成。

 

训练细节上，Llama 3对405B进行微调时，学习率为10⁻⁵，训练步数在8.5K到9K之间。

3.3 Rejection Sampling

见 3.2 SFT 中的Rejection Sampling。

3.4 Direct Preference Optimization

 

DPO在SFT之后进行，目的是对齐人类的偏好。DPO是RLHF的简化，目的是跳过复杂的RM训练等过程，RLHF是先用标注的偏好数据去训练RM，然后再指导RL的过程，而DPO则这把上述两个步骤的loss融合到一起。

因此，DPO的训练数据也是人类偏好数据，格式类似于chosen-rejected对。DPO的损失如下

 

# DPO的数据格式
{    'prompt': '','chosen': '','rejected': ''
}

DPO训练细节

在训练过程中，Llama 3主要使用最新一批的偏好数据，这些数据是通过前几轮对齐中表现最好的模型收集的，需要用到RM。好处是，这些数据更好地符合每轮正在优化的Policy Model的分布。所以这种DPO也是Iterative的，属于on-policy。

（a）第一个细节是，由于DPO损失函数的特点，chosen response和rejected response中如果出现了一些共同的token，则会导致相互冲突的学习目标，因为模型需要同时增加和减少这些token的生成概率。所以Llama 3 Mask了formatting tokens 的 loss，实验发现这些token如果算loss，可能会导致tail repetition和突然生成终止的token。

（b）第二个细节是，Llama 3给chosen sequence加上了一个negative log-likelihood（NLL） loss，从NLL loss和标准交叉熵损失的差别上看，可以简单把NLL loss理解为SFT loss：

加上NLL loss的好处是，防止chosen response的log probability下降。坏处是，chosen response如果本身不够好，加这个SFT loss可能也不太好，需要具体问题具体分析。

3.5 Data Processing and Quality Control

数据质量始终是最关键的。由于Llama 3的大部分训练数据是模型生成的，因此需要仔细进行清洗和质量控制。这和绝大多数垂直业务模型也一致。

数据清洗（Data cleaning）

首先，数据中往往存在一些不理想的模式，Llama 3就有过度使用表情符号或感叹号的问题。一些非常经典的AI味语风也需要注意，例如“过于喜欢滑跪”的语气问题，遇事不决就“对不起”或“我道歉”，这种样本应该不能在数据集中太多。

数据修剪（Data pruning）

Llama 3还应用了一些基于模型的技术来去除低质量的训练样本，来提升模型整体性能：

1、主题分类（Topic classification）：首先，对一个小模型（如Llama 3 8B）进行微调，使其成为topic classifier，例如专门用一大堆分类文本的任务数据去SFT一下。然后对所有训练数据进行分类，将其分类为粗粒度类别（如“数学推理”）和细粒度类别（如“几何和三角学”）。

2、质量评分（Quality scoring）：使用Reward model和基于Llama的信号为每个样本的质量打分。对于基于RM的评分，我们将得分处于RM评分前四分之一的数据视为高质量数据。对于基于Llama的评分，就是在Llama 3设计了一些打分的prompt，一般英语数据使用三个维度的评分（准确性、指令遵循性和语气/表达），coding数据则使用两个维度的评分（错误识别和用户意图），并将获得最高分的样本视为高质量数据。

最后发现RM评分和Llama评分的分歧率较高，但发现结合这两种机制能在meta内部测试集中取得最佳的召回率。最终，选择被RM OR Llama 3分类模型标记为高质量的样本。

3、难度评分（Difficulty scoring）：由于还希望优先处理对模型来说更复杂的样本，因此报告提到两种难度评估方法对数据进行评分：Instag和基于Llama的评分。对于Instag，我们提示Llama 3 70B对SFT提示进行意图标注，意图越多，复杂性越高。基于Llama的思路和Quality scoring相似，给了Llama 3一些prompt，基于三个维度去打分。

4、语义去重（Semantic deduplication）：最后，进行语义去重。Llama 3首先使用RoBERTa对完整对话进行聚类，然后在每个聚类内按质量分数 × 难度分数对其进行排序。接着，遍历所有排序的样本进行贪婪选择，仅保留与当前聚类中已见样本的余弦相似度小于阈值的样本。

4 Inference

首先请参考2.2 Model Architecture中，关于基本推理过程，KV Cache，GQA部分的内容，同时请参考3.2 SFT中关于PagedAttention的介绍。

4.1 Parallelism

Parallelism，LLM分布式训练推理的一部分，包括Data Parallelism和Model Parallelism，本节做一些介绍。同样涉及到OS的一些概念。

Data Parallelism

Data Parallelism，数据并行，在每个设备上，独立接收到不同的输入数据批次（可称mini-batch）并执行前向传播，以计算该批次上的损失。在反向传播过程中，每个设备会计算梯度，并与所有其他设备交换这些梯度。然后，使用这些梯度的平均值来更新每个设备上的模型权重，确保在下一次训练步骤开始时，所有设备都具有相同的模型权重。

好处是加快了batch的训练速度，并且能够放下更大batch size的数据。坏处是，每张卡也都使用了完整的模型权重，得保证单卡能装得下。

Data Parallelism

Model Parallelism

Model Parallelism。模型并行，包括Tensor Parallelism和Pipeline Parallelism。Model Parallelism解决的是单张卡放不下一个完整模型权重的问题，每张显卡只放部分参数。一般来说，会按照层进行划分参数，按层划分一般叫Pipeline Parallelism。如果模型的一层如果都装不下了，同一个模型层内拆分开训练，是Tensor Parallelism。

好处是能放下更大的权重了，坏处是后面层的卡需要等待前面层的计算结果，所以GPU会有空闲状态。反向传播时也一样，前面层的卡要等后面层的卡。

 

Llama 3中的Pipeline Parallelism

使用BF16数值表示模型参数时，Llama 3 405B模型无法在一台配备8个Nvidia H100 GPU的单机内完全加载到GPU内存中。为了解决这一问题，Llama 3 team使用两台机器（node）上的16个GPU并行进行BF16精度的模型推理。

在每个node内部，利用NVLink的high bandwidth来启用tensor parallelism。而在node之间，连接的带宽较低，延迟较高，因此采用pipeline parallelism（Gpipe）。

在使用pipeline parallelism进行训练时，bubble是一个主要的效率问题（详见论文Gpipe）。然而，在推理过程中，这并不是一个问题，因为推理不涉及反向传递。因此，Llama 3使用micro-batching来提高推理的吞吐量（throughput）。

Gpipe

在前向传播过程中，GPipe 首先将每个大小为 N 的mini-batch划分为 M 个相等的micro-batch，并将它们通过 K 个GPU进行流水线处理。在反向传播过程中，每个micro-batch的梯度是基于前向传播时使用的相同模型参数计算的。在每个mini-batch结束时，所有 M 个micro-batch的梯度会被累积，并应用于所有GPU以更新模型参数。

 

micro-batching效果

报告在key-value cache pre-fill stage和decoding stage两个阶段（见 2.2 Model Architecture 的讲解）都评估了micro-batches的效果。在4096个输入 tokens和256 个输出 tokens的情况下，报告发现，在相同的local batch size下，micro-batches提高了推理的吞吐量，如下图所示。

这些改进归因于micro-batches在这两个阶段中实现了并发执行。由于micro-batches带来了额外的同步点（synchronization points），导致延迟增加，但总体而言，micro-batches仍然带来了更好的吞吐量-延迟平衡（throughput-latency trade-off）。

4.2 Quantization

Quantization，量化，也是当前热门的话题，核心手段是通过降低模型参数的精度来减少GPU占用，并减少计算量。和PagedAttention类似，同样可以从OS中找到很多相关的东西。一些常见的精度表示如下：

 

INT8 量化

INT 8量化相对简单。如图所示的是absmax的INT 8量化，输入是一个FP16的向量。假设用 absmax 对向量[1.2, -0.5, -4.3, 1.2, -3.1, 0.8, 2.4, 5.4]进行量化。首先需要计算该向量的最大绝对值，在本例中为5.4。Int8 的范围为[-127, 127]，因此我们将127除以5.4，得到缩放因子（scaling factor）23.5。最后，将原始向量乘以缩放因子得到最终的量化向量[28, -12, -101, 28, -73, 19, 56, 127]。

要恢复原向量，可以将 int8 量化值除以缩放因子，但由于上面的过程是“四舍五入”的，我们将丢失一些精度。

 

FP8 量化

Llama 3利用H100 GPU的原生FP8支持来执行低精度推理。为了启用低精度推理，Llama 3对模型内部的大多数矩阵乘法应用FP8量化。实现细节见下面的两篇参考文章。特别是，对模型中前馈网络层的大多数参数和激活值进行量化，这些部分约占推理计算时间的50%。其中还有一些细节：

Llama 3没有对模型的自注意力层中的参数进行量化。也没有在第一个和最后一个Transformer层中执行量化。并且，采用了按行量化的方式，对参数和激活矩阵的每一行计算缩放因子（Scaling Factor）。如下图所示。

 

量化结果

量化结果主要是两个方面，一个是好处，即efficiency的提升；一个是坏处，即accuracy的下降。

对于efficiency，Llama 3针对于4,096 input tokens and 256 output tokens做了定量实验，在prefill阶段（2.2 Model Architecture 中有详细介绍），使用FP8推理可将吞吐量提高多达50%（4k->9k）；在decode阶段，也能更好地trade off throughput-latency。

对于accuracy，在标准benchmark上，即使不做上文所说的细节，FP8推理的表现也与BF16推理相当。但是当Scaling Factor没有上限时，模型有时会生成错误的响应，所以benchmark无法正确和充分地反映FP8量化的影响。于是Llama 3使用FP8和BF16生成了100,000个响应，选择用奖励模型的分布来分析。从下图可以看到，FP8的得分几乎没有影响RM的得分分布。

Throughput-latency trade-off in FP8 inference with Llama 3 405B

Reward score distribution for Llama 3 405B using BF16 and FP8 inference.

5 写在最后

最近平时工作可以说是把脑子想“干”了，所以花大概三个周末完成了这篇接近2w字的文章。写完感觉有很多不足，但还是随便找个时间发了吧。其一是，本来是打算从Llama 3这种优质开源模型和报告出发，进行一些知识上的梳理，结果行文时几乎保留了论文原来的结构，导致前一个知识点到下一个知识点不够丝滑；

其二是，由于水平不够和“综合性”考量的限制，所以对很多需要深入的知识没有详尽。后面几个周末也许还会持续迭代一下本文，主要是继续细化技术点。所以也恳请诸位指出错误或不足，尽情提出需要补充内容的部分。

引用链接

[1] IFEval Dataset | Papers With Code: https://paperswithcode.com/dataset/ifeval
[2] LiveBench: https://livebench.ai/
[3] [KV Cache优化] MQA/GQA/YOCO/CLA/MLKV笔记: 层内和层间KV Cache共享: https://zhuanlan.zhihu.com/p/697311739
[4] 《动手学深度学习PyTorch版》：全要点笔记: https://zhuanlan.zhihu.com/p/664880302