gemma 大模型（gemma 2B,gemma 7B）微调及基本使用

待整理…

gemma介绍

Gemma是Google推出的一系列轻量级、最先进的开放模型，基于创建Gemini模型的相同研究和技术构建。提供了 2B 和 7B 两种不同规模的版本，每种都包含了预训练基础版本和经过指令优化的版本。所有版本均可在各类消费级硬件上运行，无需数据量化处理，拥有高达 8K tokens 的处理能力：
它们是文本到文本的、仅解码器的大型语言模型，提供英语版本，具有开放的权重、预训练的变体和指令调优的变体。
Gemma模型非常适合执行各种文本生成任务，包括问答、摘要和推理。它们相对较小的尺寸使得可以在资源有限的环境中部署，例如笔记本电脑、桌面电脑或您自己的云基础设施，使每个人都能获得最先进的AI模型，促进创新。
Github地址：https://github.com/google/gemma_pytorch
论文地址：https://storage.googleapis.com/deepmind-media/gemma/gemma-report.pdf
官方博客：Gemma: Google introduces new state-of-the-art open models

其它

BPE。

又称 digram coding 双字母组合编码，是一种数据压缩算法，用来在固定大小的词表中实现可变⻓度的子词。该算法简单有效，因而目前它是最流行的方法。

peft

GPT，gemma，BERT这些大型预训练模型的训练成本非常高昂，需要庞大的计算资源和大量的数据，一般人难以承受。这也导致了一些研究人员难以重复和验证先前的研究成果。为了解决这个问题，研究人员开始研究Parameter-Efficient Fine-Tuning (PEFT)技术。

Adapter Tuning

谷歌的研究人员首次在论文《Parameter-Efficient Transfer Learning for NLP》提出针对BERT的PEFT微调方式，拉开了PEFT研究的序幕。他们指出，在面对特定的下游任务时，如果进行Full-fintuning（即预训练模型中的所有参数都进行微调），太过低效；而如果采用固定预训练模型的某些层，只微调接近下游任务的那几层参数，又难以达到较好的效果。

于是他们设计了如下图所示的Adapter结构，将其嵌入Transformer的结构里面，在训练时，固定住原来预训练模型的参数不变，只对新增的Adapter结构进行微调。同时为了保证训练的高效性（也就是尽可能少的引入更多参数），他们将Adapter设计为这样的结构：首先是一个down-project层将高维度特征映射到低维特征，然后过一个非线形层之后，再用一个up-project结构将低维特征映射回原来的高维特征；同时也设计了skip-connection结构，确保了在最差的情况下能够退化为identity。
在这里插入图片描述
从实验结果来看，该方法能够在只额外对增加的3.6%参数规模（相比原来预训练模型的参数量）的情况下取得和Full-finetuning接近的效果（GLUE指标在0.4%以内）。

Prefix Tuning

Prefix Tuning方法由斯坦福的研究人员提出，与Full-finetuning更新所有参数的方式不同，该方法是在输入token之前构造一段任务相关的virtual tokens作为Prefix，然后训练的时候只更新Prefix部分的参数，而Transformer中的其他部分参数固定。该方法其实和构造Prompt类似，只是Prompt是人为构造的“显式”的提示,并且无法更新参数，而Prefix则是可以学习的“隐式”的提示。

同时，为了防止直接更新Prefix的参数导致训练不稳定的情况，他们在Prefix层前面加了MLP结构(相当于将Prefix分解为更小维度的Input与MLP的组合后输出的结果)，训练完成后，只保留Prefix的参数。

Prompt Tuning

《The Power of Scale for Parameter-Efficient Prompt Tuning》
总的来说就是，只要模型规模够大，简单加入Prompt tokens进行微调，就能取得很好的效果。
该方法可以看作是Prefix Tuning的简化版本，只在输入层加入prompt tokens，并不需要加入MLP进行调整来解决难训练的问题，主要在T5预训练模型上做实验。似乎只要预训练模型足够强大，其他的一切都不是问题。作者也做实验说明随着预训练模型参数量的增加，Prompt Tuning的方法会逼近Fine-tune的结果。
作者做了一系列对比实验，都在说明：随着预训练模型参数的增加，一切的问题都不是问题，最简单的设置也能达到极好的效果。

a) Prompt长度影响：模型参数达到一定量级时，Prompt长度为1也能达到不错的效果，Prompt长度为20就能达到极好效果。
b) Prompt初始化方式影响：Random Uniform方式明显弱于其他两种，但是当模型参数达到一定量级，这种差异也不复存在。
c) 预训练的方式：LM Adaptation的方式效果好，但是当模型达到一定规模，差异又几乎没有了。
d) 微调步数影响：模型参数较小时，步数越多，效果越好。同样随着模型参数达到一定规模，zero shot也能取得不错效果。

P-Tuning

P-Tuning方法的提出主要是为了解决这样一个问题：大模型的Prompt构造方式严重影响下游任务的效果。
P-Tuning提出将Prompt转换为可以学习的Embedding层，只是考虑到直接对Embedding参数进行优化会存在这样两个挑战：

Discretenes：对输入正常语料的Embedding层已经经过预训练，而如果直接对输入的prompt embedding进行随机初始化训练，容易陷入局部最优。
Association：没法捕捉到prompt embedding之间的相关关系。
作者在这里提出用MLP+LSTM的方式来对prompt embedding进行一层处理

与Prefix-Tuning的区别

这篇文章（2021-03）和Prefix-Tuning（2021-01）差不多同时提出，做法其实也有一些相似之处，主要区别在

Prefix Tuning是将额外的embedding加在开头，看起来更像是模仿Instruction指令；而P-Tuning的位置则不固定。
Prefix Tuning通过在每个Attention层都加入Prefix Embedding来增加额外的参数，通过MLP来初始化；而P-Tuning只是在输入的时候加入Embedding，并通过LSTM+MLP来初始化。

V2

论文《P-Tuning v2: Prompt Tuning Can Be Comparable to Fine-tuning Universally Across Scales and Tasks》
P-Tuning v2的目标就是要让Prompt Tuning能够在不同参数规模的预训练模型、针对不同下游任务的结果上都达到匹敌Fine-tuning的结果。
那也就是说当前Prompt Tuning方法未能在这两个方面都存在局限性。

不同模型规模：Prompt Tuning和P-tuning这两种方法都是在预训练模型参数规模够足够大时，才能达到和Fine-tuning类似的效果，而参数规模较小时效果则很差。
不同任务类型：Prompt Tuning和P-tuning这两种方法在sequence tagging任务上表现都很差。

主要结构

相比Prompt Tuning和P-tuning的方法， P-tuning v2方法在多层加入了Prompts tokens作为输入，带来两个方面的好处：

带来更多可学习的参数（从P-tuning和Prompt Tuning的0.1%增加到0.1%-3%），同时也足够parameter-efficient。
加入到更深层结构中的Prompt能给模型预测带来更直接的影响。

几个关键设计因素

Reparameterization：Prefix Tuning和P-tuning中都有MLP来构造可训练的embedding。本文发现在自然语言理解领域，面对不同的任务以及不同的数据集，这种方法可能带来完全相反的结论。
Prompt Length：不同的任务对应的最合适的Prompt Length不一样，比如简单分类任务下length=20最好，而复杂的任务需要更长的Prompt Length。
Multi-task Learning 多任务对于P-Tuning v2是可选的，但可以利用它提供更好的初始化来进一步提高性能。
Classification Head 使用LM head来预测动词是Prompt Tuning的核心，但我们发现在完整的数据设置中没有必要这样做，并且这样做与序列标记不兼容。P-tuning v2采用和BERT一样的方式，在第一个token处应用随机初始化的分类头。

LoRA

微软和CMU的研究者指出，现有的一些PEFT的方法还存在这样一些问题：

由于增加了模型的深度从而额外增加了模型推理的延时，如Adapter方法
Prompt较难训练，同时减少了模型的可用序列长度，如Prompt Tuning、Prefix Tuning、P-Tuning方法
往往效率和质量不可兼得，效果差于full-finetuning。

有研究者对语言模型的参数进行研究发现：语言模型虽然参数众多，但是起到关键作用的还是其中低秩的本质维度（low instrisic dimension）。本文受到该观点的启发，提出了Low-Rank Adaption(LoRA)，设计了如下所示的结构，在涉及到矩阵相乘的模块，引入A、B这样两个低秩矩阵模块去模拟Full-finetune的过程，相当于只对语言模型中起关键作用的低秩本质维度进行更新。

在这里插入图片描述

这么做就能完美解决以上存在的3个问题：

相比于原始的Adapter方法“额外”增加网络深度，必然会带来推理过程额外的延迟，该方法可以在推理阶段直接用训练好的A、B矩阵参数与原预训练模型的参数相加去替换原有预训练模型的参数，这样的话推理过程就相当于和Full-finetune一样，没有额外的计算量，从而不会带来性能的损失。
由于没有使用Prompt方式，自然不会存在Prompt方法带来的一系列问题。
该方法由于实际上相当于是用LoRA去模拟Full-finetune的过程，几乎不会带来任何训练效果的损失，后续的实验结果也证明了这一点。
在实验中，研究人员将这一LoRA模块与Transformer的attention模块相结合，在RoBERTa 、DeBERTa、GPT-2和GPT-3 175B这几个大模型上都做了实验，实验结果也充分证明了该方法的有效性。

UniPELT

Towards a Unified View of PETL
这篇ICLR2022的文章研究了典型的PEFT方法，试图将PEFT统一到一个框架下，找出它们起作用的具体原因，并进行改进。主要研究了三个问题：

典型的PEFT方法有什么联系？
典型的PEFT方法中是哪些关键模块在起作用？
能否对这些关键模块进行排列组合，找出更有用的PEFT方法？
通过对Prefix Tuning的推导，得出了和Adapter Tuning以及LoRA形式一致的形式。
根据这个统一的框架，还另外设计了三种变体Parallel Adapter、Multi-head Parallel Adapter、Scaled Parallel Adapter。

QLoRA

Efficient Finetuning of Quantized LLMs
这篇论文由 UW 的四位作者发表于 23 年5月底，一经发布就大火，在算力昂贵的时代，它这个新技术可以节约数十倍的显存且几乎没有损失性能。该技术降低了推理和训练大模型的门槛，让更广大的性价比玩家看到了希望。
新的微调方法取名为QLoRA，它可以显著减少内存使用，使得可以在单个48GB的GPU上微调一个有650亿参数的模型，同时保持16比特微调的性能。QLoRA通过冻结的、4比特量化的预训练语言模型来做 LoRA，进行反向传播梯度。作者提出的最佳模型命名为Guanaco，在Vicuna基准测试中超越了所有以前公开发布的模型，达到了ChatGPT性能水平的99.3%，而只需要在单个GPU上微调24小时。
QLORA引入了几项创新来节省内存而不牺牲性能，包括

一种新的数据类型4位NormalFloat（NF4）；
双重量化以减少平均内存占用；
分页优化器来管理内存峰值。
作者使用 QLoRA 技术微调了 1000 多个模型来实验，在一些小型高质量数据集上可以做到 SOTA，甚至用更小的模型也能做到 SOTA。

4-bit NormalFloat Quantization

NormalFloat (简称NF)是一种数据类型，它是建立在 Quantile quantization（后译为分位数量化）基础上的，它是一种信息论上最优的数据类型，可以确保每个量化区间从输入张量中分配相同数量的值。分位数量化通过经验累积分布函数估计输入张量的分位数来工作。分位数量化的主要局限性在于分位数估计的这个过程会比较费力。

在神经网络中，预训练的权重通常具有零中心的正态分布，标准差为σ。通过缩放σ，可以使得分布恰好适应NF的范围。对于NF，作者设置了一个任意的范围[-1, 1]。因此，数据类型和神经网络权重的分位数都需要被归一化到这个范围。

对于范围在[-1, 1]内的零均值正态分布，他们计算了信息理论上最优的数据类型。这个过程包括：(1) 估计理论N(0, 1)分布的

1 个分位数，得到一个k位的分位数量化数据类型；(2) 将这个NF的值归一化到[-1, 1]范围；(3) 通过绝对最大值重标定，将输入权重张量归一化到[-1, 1]范围，然后进行量化。一旦模型权重范围和NF范围匹配，就可以像通常那样进行量化。这个过程等价于重新缩放权重张量的标准差，使其匹配k位数据类型的标准差。更具体的来看这个公式，展示了
到分位数的映射公式：

公式里的 $Q_x$ 指的是分位数函数。在读到这个公式之后，突然感觉就恍然大悟了有没有！

一些实验

哪种嵌入形式更好：Parallel or Sequencial?

答案是：Parallel更好

对哪块结构做修改更好？Attention or FFN？

当微调的参数量较多时，从结果来看，对FFN层进行修改更好。一种可能的解释是FFN层学到的是任务相关的文本模式，而Attention层学到的是成对的位置交叉关系，针对新任务并不需要进行大规模调整。

哪种组合方式效果更好？

从结果来看，缩放式的组合效果更好。

FlashAttention

是一种重新排序注意力计算的算法，它无需任何近似即可加速注意力计算并减少内存占用。

演示

可以在 Hugging Chat 上体验与 Gemma 指令模型的互动对话！点击此处访问：https://huggingface.co/chat?model=google/gemma-7b-it

模型下载：

模型文件这里是从modelscope 下载的，也可以从Huggingface 下，Huggingface没有modelscope方便。

gemma-2b地址：

https://modelscope.cn/models/AI-ModelScope/gemma-2b/files

gemma-7b地址:

https://modelscope.cn/models/AI-ModelScope/gemma-7b/files

当然还有“gemma-7b-it”等其它版本。

Prompt 提示词格式

Gemma 的基础模型不限定特定的提示格式。如同其他基础模型，它们能够根据输入序列生成一个合理的续接内容，适用于零样本或少样本的推理任务。这些模型也为针对特定应用场景的微调提供了坚实的基础。指令优化版本则采用了一种极其简洁的对话结构：

<start_of_turn>用户_ _
敲击<end_of_turn> 
<start_of_turn>模型
谁在那里< end_of_turn > 
< start_of_turn >用户
Gemma <end_of_turn> 
<start_of_turn>模型_ _ _ _
杰玛是谁？<转弯结束>

要有效利用这一格式，必须严格按照上述结构进行对话。

使用 Transformers

借助 Transformers 的 4.38 版本，你可以轻松地使用 Gemma 模型，并充分利用 Hugging Face 生态系统内的工具，包括：

训练和推理脚本及示例
安全文件格式（safetensors）
集成了诸如 bitsandbytes（4位量化）、PEFT（参数效率微调）和 Flash Attention 2 等工具
辅助工具和帮助器，以便使用模型进行生成
导出模型以便部署的机制
另外，Gemma 模型支持 torch.compile() 与 CUDA 图的结合使用，在推理时可实现约 4 倍的速度提升！

确保你使用的是最新版本的 transformers：pip install -U transformers

示例

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("./gemma-7b")
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("./gemma-7b", device_map="auto")

input_text = "Write me a poem about Machine Learning."
input_ids = tokenizer(input_text, return_tensors="pt").to(model.device)

outputs = model.generate(**input_ids)
print(tokenizer.decode(outputs[0]))

微调 Gemma 模型

低秩适应（LoRA）是一种用于大语言模型（LLM）的参数高效微调技术。它只针对模型参数的一小部分进行微调，通过冻结原始模型并只训练被分解为低秩矩阵的适配器层。PEFT 库提供了一个简易的抽象，允许用户选择应用适配器权重的模型层。
我们将所有的 nn.Linear 层视为要适应的目标层。

from peft import LoraConfig

lora_config = LoraConfig(
    r=8,
    target_modules=["q_proj", "o_proj", "k_proj", "v_proj", "gate_proj", "up_proj", "down_proj"],
    task_type="CAUSAL_LM",
)

我们首先下载模型和分词器 (tokenizer)，其中包含了一个 BitsAndBytesConfig 用于仅限权重的量化。

import torch
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig

model_id = "./gemma-2b"
bnb_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,
    bnb_4bit_quant_type="nf4",
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.bfloat16
)

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id, token=os.environ['HF_TOKEN'])
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_id, quantization_config=bnb_config, device_map={"":0}, token=os.environ['HF_TOKEN'])

在开始微调前，我们先使用一个相当熟知的名言来测试一下 Gemma 模型：

text = "Quote: Imagination is more"
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))

模型完成了一个合理的补全，尽管有一些额外的 token:

Quote: Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

-Albert Einstein

I

但这并不完全是我们希望看到的答案格式。我们将尝试通过微调让模型学会以我们期望的格式来产生答案:

Quote: Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

Author: Albert Einstein

首先，我们选择一个英文“名人名言”数据集：

from datasets import load_dataset

data = load_dataset("Abirate/english_quotes")
data = data.map(lambda samples: tokenizer(samples["quote"]), batched=True)

接下来，我们使用上述 LoRA 配置对模型进行微调：

import transformers
from trl import SFTTrainer

def formatting_func(example):
    text = f"Quote: {example['quote'][0]}\nAuthor: {example['author'][0]}"
    return [text]

trainer = SFTTrainer(
    model=model,
    train_dataset=data["train"],
    args=transformers.TrainingArguments(
        per_device_train_batch_size=1,
        gradient_accumulation_steps=4,
        warmup_steps=2,
        max_steps=10,
        learning_rate=2e-4,
        fp16=True,
        logging_steps=1,
        output_dir="outputs",
        optim="paged_adamw_8bit"
    ),
    peft_config=lora_config,
    formatting_func=formatting_func,
)
trainer.train()

最终，我们再次使用先前的提示词，来测试模型：

text = "Quote: Imagination is"
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))

这次，我们得到了我们期待的答案格式：

Quote: Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

Author: Albert Einstein

中文的意思是：

名言：想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界的一切.

作者：阿尔伯特·爱因斯坦

在 TPU 环境下微调，可通过 SPMD 上的 FSDP 加速

from transformers import DataCollatorForLanguageModeling, Trainer, TrainingArguments

# Set up the FSDP config. To enable FSDP via SPMD, set xla_fsdp_v2 to True.
fsdp_config = {
    "fsdp_transformer_layer_cls_to_wrap": ["GemmaDecoderLayer"],
    "xla": True,
    "xla_fsdp_v2": True,
    "xla_fsdp_grad_ckpt": True
}

# Finally, set up the trainer and train the model.
trainer = Trainer(
    model=model,
    train_dataset=data,
    args=TrainingArguments(
        per_device_train_batch_size=64,  # This is actually the global batch size for SPMD.
        num_train_epochs=100,
        max_steps=-1,
        output_dir="./output",
        optim="adafactor",
        logging_steps=1,
        dataloader_drop_last = True,  # Required for SPMD.
        fsdp="full_shard",
        fsdp_config=fsdp_config,
    ),
    data_collator=DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer, mlm=False),
)
trainer.train()