大语言模型

7B？13B？170B？解读AI大模型的参数

2024 年 7 月 17 日

在人工智能领域，模型的规模通常由其参数的数量来衡量。以GPT-3为例，它拥有惊人的1750亿个参数，而Grok-1更是达到了3140亿个参数的庞大规模。然而，并非所有模型都如此庞大，像Llama这样的模型，其参数数量则在70亿到700亿之间，相对更为精干。

这些参数并非指训练数据的量，而是模型内部的构成要素。可以把它们想象成模型的"神经元"，数量越多，模型处理信息的能力就越强，对数据中复杂关系的把握也就越精准。这些"神经元"赋予了模型更高级的认知能力，使其在执行任务时能够更加出色。

模型中的参数就像是构建语言理解世界的"建筑师"。它们通过精心设计的算法和训练过程，逐步塑造出模型对语言的深刻理解。每个参数都扮演着特定的角色，协同工作，以确保模型能够准确捕捉语言的细微差别，并提供恰当的回应。

那么，这些构成大模型的参数是如何组织的呢？简单来说，它们是由多层的神经网络构成，每一层都包含大量的节点，节点之间通过权重连接。这些权重，也就是参数，会在训练过程中不断调整，以最小化模型预测与实际结果之间的差异。通过这种方式，模型学会了如何根据输入数据生成准确的输出，从而实现对语言的深入理解和有效回应。

1. 大模型中的参数

在大型人工智能模型中，参数是其核心组件，它们各司其职，共同构成了模型的复杂网络。以下是一些主要类型的参数及其功能：

权重（Weights）：权重类似于神经网络中的连接线，它们调节信息流动的强度。在全连接层中，权重矩阵W充当了特征之间联系的桥梁，指导模型识别哪些输入特征对预测输出特征最为关键。
偏置（Biases）：偏置是神经元的调节器，它们设定了神经元激活的起点，帮助模型确定何时以及如何响应输入信号。
注意力机制参数（Attention Parameters）：在基于Transformer架构的模型中，这些参数充当了信息筛选的指南，指导模型集中注意力于最有价值的数据点。它们包括查询（Query）、键（Key）和值（Value）矩阵，帮助模型在大量信息中识别出关键线索。
嵌入矩阵（Embedding Matrices）：嵌入矩阵是模型处理文本数据时的“词汇库”。每个词汇通过一个向量表示，使得模型能够理解并处理语言信息。
隐藏状态初始化参数（Initial Hidden State Parameters）：这些参数为模型的初始状态设定基调，指导模型从何处开始处理和分析数据。

这些参数通常以以下四种格式进行表达和存储：

Float：32位浮点数，占用4字节，提供高精度的数值表示。
Half/BF16：16位浮点数，占用2字节，是一种节省空间的数值表示方式。
Int8：8位整数，占用1字节，常用于模型的量化，以减少模型大小和提高运算效率。
Int4：4位整数，占用0.5字节，进一步压缩数值表示，尽管精度可能有所降低。

参数的数量是衡量模型性能的关键指标之一。例如，一个拥有13亿个Int8参数的模型，通常在性能上会优于同一架构但只有7亿个BF16参数的模型。这是因为参数数量的增加可以提供更丰富的信息处理能力，从而提升模型的整体性能。

2. 大模型参数对内存的需求

对于工程师而言，面对的是大模型训练或推理时会使用多少的内存资源。尽管 V100(有32 GB 的 GPU 内存)或 A100(有40 GB 的 GPU 内存)很强大，然而，大模型却并不能使用 Tensorflow 或 PyTorch 的单个 GPU 上进行训练。

2.1 训练阶段的内存需求

在人工智能模型的训练过程中，内存的存储需求主要来自于模型状态的维护和激活过程的数据积累。具体来说，模型状态涵盖了优化器状态、梯度以及参数，它们都以张量的形式存在。激活过程则涉及到在正向传播中生成的张量，这些张量对于反向传播中的梯度计算至关重要。

在训练的每一个阶段，对于模型中的每一个参数，都需要有足够的GPU内存空间来存储以下数据：

模型参数的副本：每个参数都需要占用一定的内存空间来存储其副本，这里我们用字节数x来表示。
梯度的副本：与模型参数类似，梯度也需要占用内存空间，这里用字节数y来表示。
优化器状态：优化器状态通常需要12个字节的存储空间，它包括了参数、方差等信息的拷贝。为了保证训练过程的稳定性并避免数值计算中出现异常，所有优化器状态都会以FP32（32位浮点数）格式保存。

因此，整个训练过程中，所需的内存总量可以由以下公式来估算：

(x+y+12 ) * model_size

2.2 推理阶段的内存需求

在执行推理任务时，我们利用已经训练好的大型语言模型（LLM）来完成诸如文本生成或翻译等任务。与训练阶段相比，推理阶段的内存需求通常较低，主要由以下几个因素决定：

有限的上下文需求：推理过程中处理的输入序列较短，因此需要较少的内存来存储与这些较小文本块相关的激活信息。
无需反向传播：与训练阶段不同，推理阶段不需要进行反向传播，这是一种在训练中用于调整模型参数的技术。由于不需要保留用于反向传播的中间值，推理阶段的内存开销大幅减少。

根据模型的参数规模和精度类型，推理阶段所需的内存可以估算如下：对于一个7亿参数的模型，使用浮点数精度（FP32）的内存需求大约为28GB，使用16位浮点数（BF16）的内存需求约为14GB，而使用8位整数（Int8）的内存需求则为7GB。这些估算可以作为其他模型版本的参考。

当对LLM进行特定任务的微调时，内存需求会有所增加。微调通常涉及更长的训练序列，以便更好地捕捉目标任务的细节。处理更多的文本数据会导致更大的激活，而反向传播过程则需要存储用于梯度计算的中间值，这些值在训练期间用于更新模型权重。与推理阶段相比，微调阶段的内存负担显著增加。

2.3 基于Transformer的大模型的内存估算

当我们针对基于Transformer架构的大型模型进行训练时，计算所需的内存是一个关键的步骤。以下是一些基本参数和它们在内存计算中的作用：

l：Transformer模型中的层数。
a：每个注意力机制中的头（head）数量。
b：批次大小，即每次训练迭代中处理的样本数量。
s：序列长度，即每个样本中的元素数量。
h：隐藏层的维度大小，即模型内部表示的大小。
p：精度，影响每个参数所需的存储空间。

首先，我们需要定义一个表示输入数据量大小的变量bshp，它由以下公式给出：

softmax((XQ)(XK)^T)XV

当我们探讨基于Transformer架构的大型模型在训练阶段所需的内存时，我们需要考虑几个关键参数，包括层数、注意力头的数量、批次大小、序列长度以及隐藏层的维度和精度。以下是对所需内存的计算和解释：

输入数据量：表示为`bshp`，即批次大小（b）、序列长度（s）、隐藏层维度（h）和精度（p）的乘积。这代表了模型处理的输入数据的总大小。
线性层：在Transformer的线性层部分，我们大约需要`9bshp + bsh`的空间来存储激活后的值。这包括了线性变换和后续操作所需的内存。
注意力机制：对于标准的自注意力（self-attention）操作，我们首先需要为查询（Q）、键（K）和值（V）各分配`bshp`大小的空间。在多头注意力机制中，每个头都需要单独的`s * s`矩阵来存储结果，这需要`abssp`字节的空间。由于有a个头，总空间需求为`a * abssp`。此外，softmax操作后的输出也需要相同的空间，再加上掩码所需的`abss`字节，因此注意力部分的总内存需求为`2abssp + abss`。
归一化层：Transformer中通常包含两个归一化层（Norm layer），每个层都需要`bshp`大小的空间，因此总共需要`2bshp`。

将这些部分加起来，基于Transformer的大模型在训练时所需的内存可以近似表示为：

L(9bshp+bsh+2abssp+abss +2bshp) = Lbshp[16+2/p+(as/h)(2+1/p)]

这里的公式表明，训练所需的内存大约是模型层数（L）与批次大小、序列长度、隐藏层维度和精度的函数。这个表达式提供了一个理论下界，即在训练基于Transformer的大模型时，内存需求的一个基本估计。

模型的层数 x 训练批次的大小 x 序列长度 x 隐藏层的维度 x 精度 x 大于16的整数

基于Transformer的大模型在训练时的内存需求取决于多个因素，包括模型的复杂性、数据的规模和精度。通过上述公式，我们可以对所需的内存进行初步的估计，以确保训练过程的顺利进行。

3. 大模型参数对GPU 的需求

有了大模型参数对内存的要求，可以进一步估算大模型在训练和推理中所需的GPU数量。但由于GPU数量估算依赖的参数稍多，有人（Dr. Walid Soula，https://medium.com/u/e41a20d646a8）给出了一个粗略估算的简单公式，在工程上同样有一定的参考意义。

其中，

Model’s parameters in billions 是以B为单位的模型参数数量；
18是训练期间不同组件的内存占用因子；
1.25 代表了激活过程所需的内存数量因子，激活是随着模型处理输入数据而变化的动态数据结构。
GPU Size in GB是可用的 GPU 内存总量

举个实际的例子，假设使用的是 NVIDIA RTX 4090 GPU，它有24GB 的 VRAM，计算一下训练‘ Llama3 7B’模型所需的 GPU 数量，大约为 :

GPU 的总数≈(7 * 18 * 1.25)/24，大约等于7

对于推理而言，可以简化为训练阶段的1/8～1/9 , 当然，这些只是一般意义的粗略估计。

4. 由大模型参数到分布式训练

深入理解大型模型参数的构成及其对内存和GPU资源的需求，对于掌握分布式训练在实际工程中所面临的挑战至关重要。

使用TensorFlow或PyTorch等专为分布式训练设计的框架，可以极大地简化分布式训练策略的实施。这些框架提供了丰富的工具和API，帮助开发者更高效地进行训练。例如，通过梯度累积技术，我们可以在更新模型之前累积多个批次的梯度；而梯度压缩技术则可以减少节点间的数据传输量，有效降低通信成本。同时，确定分布式训练中的最优批次大小（即参数b）也非常关键，因为批次大小过小会增加通信开销，而过大则可能导致内存不足。

LLMOps（大型语言模型操作）的重要性日益增加。定期监控分布式训练的性能指标，调整超参数、分区策略和通信设置以优化性能，是提升训练效率的关键步骤。此外，实施模型的检查点机制并在发生故障时进行有效恢复，可以确保训练过程在无需重新开始的情况下继续进行。

换句话说，大型模型的训练和推理本质上是分布式系统架构工程的挑战，包括但不限于：

通信开销：在执行梯度计算和数据更新时，节点间的通信时间可能会影响整体的加速效果。
同步复杂性：在多台机器并行训练时，同步操作的复杂性需要精心设计以避免瓶颈。
容错与资源管理：单点故障对模型训练和推理的影响，以及CPU与GPU资源的分配与调度策略，都是需要考虑的问题。

5. 大模型应用中使用的参数

掌握大型模型编程的范式，特别是面向Prompt的编程，可以通过阅读相关文献如《解读提示工程（Prompt Engineering）》、《Agent 应用于提示工程》以及《提示工程中的10个设计模式》来深入了解。

在使用大型模型生成文本时，我们可以通过调节三个关键参数来优化输出：Temperature、Top-K和Top-P。

1. Temperature参数：这个参数常被误认为仅控制模型的创造性，但实际上它更深层次地调节了概率分布的平滑度。当Temperature值较高时，概率分布变得更加平滑和均匀，这有助于模型产生多样化和富有创造性的文本。而当Temperature值较低时，概率分布会变得更加集中，模型倾向于生成与训练数据更相似的文本。

2. Top-K参数：此参数通过限制模型在每个步骤中只考虑最可能的Top-K个标记来减少输出中的不连贯或无意义内容。这种方法在保持输出的高可能性一致性的同时，也允许一定程度的创造性。

3. Top-P参数：这是一种基于概率分布的解码方法，根据设定的P值（0≤P≤1），选择一个累积概率超过P值的最小单词集合作为输出。这种方法允许输出的单词数量根据下一个单词的概率动态调整。当P=1时，Top-P将选择所有单词，产生多样化的输出；而P=0时，Top-P仅选择概率最高的单词，类似于贪婪策略，使输出更加集中和一致。

这三个参数共同影响模型的输出行为。例如，如果我们设置Temperature=0.8、Top-K=36和Top-P=0.7，模型首先会根据上下文计算整个词汇表的非规范化对数概率分布。Temperature=0.8意味着每个对数概率值将除以0.8，这在归一化之前增加了模型对其预测的信心。接着，Top-K=36将选择概率最高的36个标记。然后，Top-P=0.7将在这36个标记中进一步筛选，直到累积概率达到0.7。最后，这个筛选后的集合将被重新归一化，用于模型的采样过程。

6. 小结

在工程应用中，深入理解大型模型的参数至关重要。这些参数是模型功能和表现的核心，它们决定了模型的运作方式、效率、成本以及对资源的依赖程度。掌握大型模型的参数，意味着要深入探讨模型的复杂性、效能以及它们之间的相互关系。通过从存储和计算的角度出发，合理地配置和调整这些参数，我们可以在实际的工程任务中更精准地选择和调整模型，以满足特定的任务需求和在有限资源条件下实现最优性能。