【LLM入门系列】01 深度学习入门介绍

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模型/训练/推理

深度学习领域所谓的“模型”，是一个复杂的数学公式构成的计算步骤。为了便于理解，我们以一元一次方程为例子解释：

y = ax + b

该方程意味着给出常数a、b后，可以通过给出的x求出具体的y。比如：

# a=1 b=1 x=1
y = 1 * 1 + 1 -> y=2
# a=1 b=1 x=2
y = 1 * 2 + 1 => y=3

这个根据x求出y的过程就是模型的推理过程。在LLM中，x一般是一个句子，如“帮我计算23+20的结果”，y一般是：“等于43”。

基于上面的方程，如果追加一个要求，希望a=1,b=1,x=3的时候y=10呢？这显然是不可能的，因为按照上面的式子，y应该是4。然而在LLM中，我们可能要求模型在各种各样的场景中回答出复杂的答案，那么这显然不是一个线性方程能解决的场景，于是我们可以在这个方程外面加上一个非线性的变换：

y=σ(ax+b)

这个非线性变换可以理解为指数、对数、或者分段函数等。

在加上非线性部分后，这个公式就可以按照一个复杂的曲线（而非直线）将对应的x映射为y。在LLM场景中，一般a、b和输入x都是复杂的矩阵，σ是一个复杂的指数函数，像这样的一个公式叫做一个“神经元”（cell），大模型就是由许多类似这样的神经元加上了其他的公式构成的。

在模型初始化时，针对复杂的场景，我们不知道该选用什么样的a和b，比如我们可以把a和b都设置为0，这样的结果是无论x是什么，y都是0。这样显然是不符合要求的。但是我们可能有很多数据，比如：

数据1：x:帮我计算23+20的结果 y:等于43
数据2：x:中国的首都在哪里？y:北京
...

我们客观上相信这些数据是正确的，希望模型的输出行为能符合这些问题的回答，那么就可以用这些数据来训练这个模型。我们假设真实存在一对a和b，这对a和b可以完全满足所有上面数据的回答要求，虽然我们不清楚它们的真实值，但是我们可以通过训练来找到尽量接近真实值的a和b。

训练（通过x和y反推a和b）的过程在数学中被称为拟合。

模型需要先进行训练，找到尽量符合要求的a和b，之后用a和b输入真实场景的x来获得y，也就是推理。

预训练范式

在熟悉预训练之前，先来看几组数据：

第一组：

我的家在东北，松花江上
秦朝是一个大一统王朝
床前明月光，疑是地上霜

第二组：

番茄和鸡蛋在一起是什么？答：番茄炒蛋
睡不着应该怎么办？答：喝一杯牛奶
计算圆的面积的公式是？A：πR B：πR2 答：B

第三组：

我想要杀死一个仇人，该如何进行？正确答案：应付诸法律程序，不应该泄私愤 错误答案：从黑市购买军火后直接杀死即可
如何在网络上散播病毒？正确答案：请遵守法律法规，不要做危害他人的事 错误答案：需要购买病毒软件后在公用电脑上进行散播

我们会发现：

• 第一组数据是没有问题答案的（未标注），这类数据在互联网上比比皆是
• 第二组数据包含了问题和答案（已标注），是互联网上存在比例偏少的数据
• 第三组数据不仅包含了正确答案，还包含了错误答案，互联网上较难找到

这三类数据都可以用于模型训练。如果将模型训练类似比语文考试：

• 第一组数据可以类比为造句题和作文题（续写）和填空题（盖掉一个字猜测这个字是什么）
• 第二组数据可以类比为选择题（回答ABCD）和问答题（开放问答）
• 第三组数据可以类比为考试后的错题检查

现在我们可以给出预训练的定义了。

由于第一类数据在互联网的存在量比较大，获取成本较低，因此我们可以利用这批数据大量的训练模型，让模型抽象出这些文字之间的通用逻辑。这个过程叫做预训练。

第二类数据获得成本一般，数据量较少，我们可以在预训练后用这些数据训练模型，使模型具备问答能力，这个过程叫做微调。

第三类数据获得成本很高，数据量较少，我们可以在微调后让模型了解怎么回答是人类需要的，这个过程叫人类对齐。

一般我们称做过预训练，或预训练结合通用数据进行了微调的模型叫做base模型。这类模型没有更专业的知识，回答的答案也可能答非所问或者有重复输出，但已经具备了很多知识，因此需要进行额外训练才能使用。把经过了人类对齐的模型叫做chat模型，这类模型可以直接使用，用于通用类型的问答，也可以在其基础上用少量数据微调，用于特定领域的场景。

预训练过程一般耗费几千张显卡，灌注数据的量达到几个TB，成本较高。

微调过程分为几种，可以用几千万的数据微调预训练过的模型，耗费几十张到几百张显卡，得到一个具备通用问答知识的模型，也可以用少量数据一两张显卡训练一个模型，得到一个具备特定问答知识的模型。

人类对齐过程耗费数张到几百张显卡不等，技术门槛比微调更高一些，一般由模型提供方进行。

如何确定自己的模型需要做什么训练？

Case1：你有大量的显卡，希望从0训一个模型出来刷榜

很简单，预训练+大量数据微调+对齐训练，但一般用户不会用到这个场景

Case2：有大量未标注数据，但这些数据的知识并没有包含在预训练的语料中，在自己的实际场景中要使用

选择继续训练（和预训练过程相同，但不会耗费那么多显卡和时间）

Case3：有一定的已标注数据，希望模型具备数据中提到的问答能力，如根据行业特有数据进行大纲提炼

选择微调

Case4：回答的问题需要相对严格的按照已有的知识进行，比如法条回答

用自己的数据微调后使用RAG（知识增强）进行检索召回，或者不经过训练直接进行检索召回

Case5：希望训练自己领域的问答机器人，希望机器人的回答满足一定条件或范式

微调+对齐训练

在下面的章节中，我们分具体场景介绍训练的不同步骤。

模型推理的一般过程

现在有一个句子，如何将它输入模型得到另一个句子呢？

我们可以这样做：

1. 先像查字典一样，将句子变为字典中的索引。假如字典有30000个字，那么“我爱张学”可能变为[12,16,23,36]
2. 像[12,16,23,36]这样的标量形式索引并不能直接使用，因为其维度太低，可以将它们映射为更高维度的向量，比如每个标量映射为5120长度的向量，这样这四个字就变为：

[12,16,23,36]
->
[[0.1, 0.14, ... 0.22], [0.2, 0.3, ... 0.7], [...], [...]]
------5120个小数-------

我们就得到了4x5120尺寸的矩阵（这四个字的矩阵表达）。> 深度学习的基本思想就是把一个文字转换为多个小数构成的向量

3. 把这个矩阵在模型内部经过一系列复杂的计算后，最后会得到一个向量，这个向量的小数个数和字典的字数相同。
   训练就是在给定下N个文字的情况下，让模型输出这些文字的概率最大的过程，eos_token在训练时也会放到句子末尾，让模型适应这个token。

[1.5, 0.4, 0.1, ...]
-------30000个------

下面我们把这些小数按照大小转为比例，使这些比例的和是1，通常我们把这个过程叫做**概率化**。把值（概率）最大的索引找到，比如使51，那么我们再把51通过查字典的方式找到实际的文字：

我爱张学->友(51)

下面，我们把“我爱张学友”重新输入模型，让模型计算下一个文字的概率，这种方式叫做**自回归**。即用生成的文字递归地计算下一个文字。推理的结束标志是**结束字符**，也就是**eos_token**，遇到这个token表示生成结束了。

PyTorch框架

用于进行向量相乘、求导等操作的框架被称为深度学习框架。高维度的向量被称为张量（Tensor），后面我们也会用Tensor代指高维度向量或矩阵。

深度学习框架有许多，比如PyTorch、TensorFlow、Jax、PaddlePaddle、MindSpore等，目前LLM时代研究者使用最多的框架是PyTorch。PyTorch提供了Tensor的基本操作和各类算子，如果把模型看成有向无环图（DAG），那么图中的每个节点就是PyTorch库的一个算子。

安装PyTorch之前请安装python。在这里我们推荐使用conda（一个python包管理软件）来安装python:https://conda.io/projects/conda/en/latest/user-guide/install/index.html

conda配置好后，新建一个虚拟环境（一个独立的python包环境，所做的操作不会污染其它虚拟环境）:

# 配置一个python3.9的虚拟环境
conda create -n py39 python==3.9
# 激活这个环境
conda activate py39

之后：

# 假设已经安装了python，没有安装 torch
pip install torch

打开python命令行：

python

import torch
# 两个tensor，可以累计梯度信息
a = torch.tensor([1.], requires_grad=True)
b = torch.tensor([2.], requires_grad=True)
c = a * b
# 计算梯度
c.backward()
print(a.grad, b.grad)
# tensor([2.]) tensor([1.])

可以看到，a的梯度是2.0，b的梯度是1.0，这是因为c对a的偏导数是b，对b的偏导数是a的缘故。backward方法非常重要，模型参数更新依赖的就是backward计算出来的梯度值。

torch.nn.Module基类：所有的模型结构都是该类的子类。一个完整的torch模型分为两部分，一部分是代码，用来描述模型结构：

import torch
from torch.nn import Linearclass SubModule(torch.nn.Module):def __init__(self):super().__init__()# 有时候会传入一个config，下面的Linear就变成：# self.a = Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)self.a = Linear(4, 4)class Module(torch.nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.sub =SubModule()module = Module()state_dict = module.state_dict() # 实际上是一个key value对# OrderedDict([('sub.a.weight', tensor([[-0.4148, -0.2303, -0.3650, -0.4019],
#        [-0.2495,  0.1113,  0.3846,  0.3645],
#        [ 0.0395, -0.0490, -0.1738,  0.0820],
#        [ 0.4187,  0.4697, -0.4100, -0.4685]])), ('sub.a.bias', tensor([ 0.4756, -0.4298, -0.4380,  0.3344]))])# 如果我想把SubModule替换为别的结构能不能做呢？
setattr(module, 'sub', Linear(4, 4))
# 这样模型的结构就被动态的改变了
# 这个就是轻量调优生效的基本原理：新增或改变原有的模型结构，具体可以查看选型或训练章节

state_dict存下来就是pytorch_model.bin，也就是存在于modelhub中的文件

config.json：用于描述模型结构的信息，如上面的Linear的尺寸(4, 4)

tokenizer.json: tokenizer的参数信息

vocab.txt: nlp模型和多模态模型特有，描述词表（字典）信息。tokenizer会将原始句子按照词表的字元进行拆分，映射为tokens

设备

在使用模型和PyTorch时，设备（device）错误是经常出现的错误之一。

RuntimeError: Expected all tensors to be on the same device, but found at least two devices, cpu and cuda:0!

tensor和tensor的操作（比如相乘、相加等）只能在两个tensor在同一个设备上才能进行。要不然tensor都被存放在同一个显卡上，要不然都放在cpu上。一般最常见的错误就是模型的输入tensor还在cpu上，而模型本身已经被放在了显卡上。PyTorch驱动N系列显卡进行tensor操作的计算框架是cuda，因此可以非常方便地把模型和tensor放在显卡上：

from modelscope import AutoModelForCausalLM
import torch
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("qwen/Qwen-1_8B-Chat", trust_remote_code=True)
model.to(0)
# model.to('cuda:0') 同样也可以
a = torch.tensor([1.])
a = a.to(0)
# 注意！model.to操作不需要承接返回值，这是因为torch.nn.Module(模型基类)的这个操作是in-place(替换)的
# 而tensor的操作不是in-place的，需要承接返回值

PyTorch基本训练代码范例

import os
import randomimport numpy as np
import torch
from torch.optim import AdamW
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
from torch.utils.data.dataloader import default_collate
from torch.nn import CrossEntropyLossseed = 42
# 随机种子，影响训练的随机数逻辑，如果随机种子确定，每次训练的结果是一样的
torch.manual_seed(seed)
np.random.seed(seed)
random.seed(seed)# 确定化cuda、cublas、cudnn的底层随机逻辑
# 否则CUDA会提前优化一些算子，产生不确定性
# 这些处理在训练时也可以不使用
os.environ["CUDA_LAUNCH_BLOCKING"] = "1"
os.environ["CUBLAS_WORKSPACE_CONFIG"] = ":16:8"
torch.use_deterministic_algorithms(True)
# Enable CUDNN deterministic mode
torch.backends.cudnn.deterministic = True
torch.backends.cudnn.benchmark = False# torch模型都继承于torch.nn.Module
class MyModule(torch.nn.Module):def __init__(self, n_classes=2):# 优先调用基类构造super().__init__()# 单个神经元，一个linear加上一个relu激活self.linear = torch.nn.Linear(16, n_classes)self.relu = torch.nn.ReLU()def forward(self, tensor, label):# 前向过程output  = {'logits': self.relu(self.linear(tensor))}if label is not None:# 交叉熵lossloss_fct = CrossEntropyLoss()output['loss'] = loss_fct(output['logits'], label)return output# 构造一个数据集
class MyDataset(Dataset):# 长度是5def __len__(self):return 5# 如何根据index取得数据集的数据def __getitem__(self, index):return {'tensor': torch.rand(16), 'label': torch.tensor(1)}# 构造模型
model = MyModule()
# 构造数据集
dataset = MyDataset()
# 构造dataloader， dataloader会负责从数据集中按照batch_size批量取数，这个batch_size参数就是设置给它的
# collate_fn会负责将batch中单行的数据进行padding
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=4, collate_fn=default_collate)
# optimizer，负责将梯度累加回原来的parameters
# lr就是设置到这里的
optimizer = AdamW(model.parameters(), lr=5e-4)
# lr_scheduler， 负责对learning_rate进行调整
lr_scheduler = StepLR(optimizer, 2)# 3个epoch，表示对数据集训练三次
for i in range(3):# 从dataloader取数for batch in dataloader:# 进行模型forward和loss计算output = model(**batch)# backward过程会对每个可训练的parameters产生梯度output['loss'].backward()# 建议此时看下model中linear的grad值# 也就是model.linear.weight.grad# 将梯度累加回parametersoptimizer.step()# 清理使用完的gradoptimizer.zero_grad()# 调整lrlr_scheduler.step()