10、微调-2

什么是训练/预训练/微调/轻量化微调

• 模型训练（Training）
• 预训练（Pre-Training）
• 微调（Fine-Tuning）
• 轻量化微调（Parameter Efficient Fine-Tuning, PEFT）

回忆上节课的实验

• MNIST 手写体识别实验，就是 Training
• 电影评论情感分类实验，就是 Fine-Tuning

Pretraing 代码参考

• 不大的模型：以 GPT-2 模型为例
  • 第一步：训练 Tokenizer，代码参考：pretraining/train_tokenizer.py
  • 第二步：预训练模型，代码参考：pretraining/pretrain_gpt2.py
  • 训练条件：8 X A100 40GB GPUs，训练时间 >1 周
  • 更快的实现：karpathy/llm.c
    • Reproducing GPT-2 (124M) in llm.c in 90 minutes for $20
• 大语言模型：OLMo
  • 开源了预训练一个 LLM 的完整过程和数据集

Transformer 结构简介

Transformer 是组成 LLM 的基本单元。

或者说，一个 LLM 就是一个 $N$ 层 Transformer 网络，例如 GPT-3.5 是 96 层。

9.1、Transformer 内部解构简图

Self-Attention 的计算

全连接层：

• 回忆上节课的全连接网络
• 这里的激活函数一般是 GELU 或 Swish

为了严谨：在 Self-Attention 和全连接网络之间还有个残差和 LayerNorm，图中未展示

9.2、LM Head (选)

扩展阅读：

• 更详细的Transformer网络拆解（Encoder-Decoder）：https://jalammar.github.io/illustrated-transformer/
• 更详细的GPT模型拆解：https://jalammar.github.io/illustrated-gpt2/

轻量化微调

• 定义微调数据集加载器
• 定义数据处理函数
• 加载预训练模型：AutoModel.from_pretrained(MODEL_NAME_OR_PATH)
• 在预训练模型上增加任务相关输出层 （如果需要）
• 加载预训练 Tokenizer：AutoTokenizer.from_pretrained(MODEL_NAME_OR_PATH)
• 定义注入参数的方法（见下文）
• 定义各种超参
• 定义 Trainer
• 定义 Evaluation Metric
• 开始训练

10.1. LoRA

• 在 Transformer 的参数矩阵上加一个低秩矩阵（$A\times B$）
• 只训练 A，B
• 理论上可以把上述方法应用于 Transformer 中的任意参数矩阵，包括 Embedding 矩阵
• 通常应用于 Query, Value 两个参数矩阵

10.2. QLoRA

什么是模型量化

更多参考: https://huggingface.co/blog/hf-bitsandbytes-integration

QLoRA 引入了许多创新来在不牺牲性能的情况下节省显存：

• 4 位 NormalFloat（NF4），一种对于正态分布权重而言信息理论上最优的新数据类型
• 双重量化，通过量化量化常数来减少平均内存占用
• 分页优化器，用于管理内存峰值

原文实现：单个 48G 的 GPU 显卡上微调 65B 的参数模型，保持 16 字节微调任务的性能

实战

基于 GLM 4, Llama 3.1 或 Qwen2， 微调一个同时具有 NLU 和问答能力对话机器人

11.1、数据源

酒店预订场景
https://github.com/thu-coai/CrossWOZ

酒店数据库
https://github.com/thu-coai/CrossWOZ/blob/master/data/crosswoz/database/hotel_db.json

11.2、数据增强

• 从 CrossWOZ 数据集中抽取了只关于酒店的对话
• 利用 ChatGPT 进行如下修改和补充
  • 对设施的描述更口语化
    • “找一家有国际长途电话的酒店” -> “找一家能打国际长途的酒店”
  • 补充一定比例的多轮问答，和结束语对话（p=0.3）
    • 针对只提及一个酒店时的问答：“这个酒店的电话是多少”
    • 针对推荐多个酒店时的对比问答：“哪个酒店评分更高”
    • 结束语：“好的，祝您入住愉快”
  • 补充按酒店名（简称）、价格上限查询的对话（原数据中没有这类说法）

数据增强的代码参考 data_augmentation.zip

最终按 8:1:1 拆分训练集、验证集和测试

原始样本

[
  {
    "role": "user",
    "content": "你好，我出差想去酒店住宿。请帮我推荐一家公共区域和部分房间提供wifi服务，评分是4分以上的酒店。"
  },
  {
    "role": "search",
    "arguments": {
      "facilities": ["公共区域和部分房间提供wifi"],
      "rating_range_lower": 4.0
    }
  },
  {
    "role": "return",
    "records": [
      {
        "name": "北京龙鼎华鼎云酒店",
        "type": "舒适型",
        "address": "北京朝阳区潘家园东里18号",
        "subway": "劲松地铁站D口",
        "phone": "010-52001188",
        "facilities": [
          "公共区域和部分房间提供wifi",
          "宽带上网",
          "国际长途电话",
          "吹风机",
          "24小时热水",
          "中式餐厅",
          "会议室",
          "无烟房",
          "商务中心",
          "洗衣服务",
          "行李寄存",
          "叫醒服务"
        ],
        "price": -1.0,
        "rating": 4.3,
        "hotel_id": 24
      }
    ]
  },
  {
    "role": "assistant",
    "content": "那您去北京龙鼎华鼎云酒店住宿吧，酒店质量很好。"
  }
]

增强后样本

[
  {
    "role": "user",
    "content": "你好，我出差想去酒店住宿。请帮我推荐一家提供无线网络且评分在4分以上的酒店。"
  },
  {
    "role": "search",
    "arguments": {
      "facilities": ["无线网络"],
      "rating_range_lower": 4.0
    }
  },
  {
    "role": "return",
    "records": [
      {
        "name": "北京龙鼎华鼎云酒店",
        "type": "舒适型",
        "address": "北京朝阳区潘家园东里18号",
        "subway": "劲松地铁站D口",
        "phone": "010-52001188",
        "facilities": [
          "公共区域和部分房间提供wifi",
          "宽带上网",
          "国际长途电话",
          "吹风机",
          "24小时热水",
          "中式餐厅",
          "会议室",
          "无烟房",
          "商务中心",
          "洗衣服务",
          "行李寄存",
          "叫醒服务"
        ],
        "price": -1.0,
        "rating": 4.3,
        "hotel_id": 24
      }
    ]
  },
  {
    "role": "assistant",
    "content": "那您去北京龙鼎华鼎云酒店住宿吧，酒店质量很好。"
  },
  {
    "role": "user",
    "content": "这个酒店的评分是多少？"
  },
  {
    "role": "assistant",
    "content": "这个酒店的评分是4.3分。"
  },
  {
    "role": "user",
    "content": "好的，我决定入住北京龙鼎华鼎云酒店了。"
  },
  {
    "role": "assistant",
    "content": "好的，祝您入住愉快。"
  }
]

11.3、数据的基本拼接方式

11.4、多轮对话怎么拼

方法一：ChatGLM 2 的方式

user: 你好
assistant: 有什么可以帮您
user: 你喜欢什么颜色
assistant: 喜欢黑色
user: 为什么
assistant: 因为黑色幽默
按照轮次，上述对话将被拆分成 3 个单独的样本

• 每个样本以之前的历史为输入
• 当前轮的回复为输出

样本 1

输入：
[Round 0]\n
问: 你好\n
答:

输出：
有什么可以帮您

样本 2

输入：
[Round 0]\n
问: 你好\n
答: 有什么可以帮您\n
[Round 1]\n
问: 你喜欢什么颜色\n
答:

输出：
喜欢黑色

样本 3

输入：
[Round 0]\n
问: 你好\n
答: 有什么可以帮您\n
[Round 1]\n
问: 你喜欢什么颜色\n
答: 喜欢黑色\n
[Round 2]\n
问: 为什么\n
答:

输出：
因为黑色幽默

方法二：ChatGLM 3 / GLM4-9B 的方式

因为 CausalLM 是一直从左往右预测的，我们可以直接在多轮对话中标识出多段输出。

具体如下：

角色special token用于标识分隔出多轮对话，同时也可以防范注入攻击

• <|system|> #系统提示词，指明模型可使用的工具等信息
• <|user|> #用户输入，用户的指令
• <|assistant|> #模型回复，或模型思考要做的事情
• <|observation|> #工具调用、代码执行结果

注意：这里<|role|>这种是一个 token，而不是一串文本，所以不能通过tokenizer.encode('<role>')来得到

角色后跟随的是 metadata，对于 function calling 来说，metadata 是调用的函数和相应参数；对其他角色的对话，metadata 为空

• 多轮对话 finetune 时根据角色添加 loss_mask
• 在一遍计算中为多轮回复计算 loss

---

<|system|>你是一个名为 GhatGLM 的人工智能助手。你是基于智谱AI训练的语言模型 GLM-4 模型开发的，你的任务是针对用户的问题和要求提供适当的答复和支持。\n\n# 可用工具\n\n## function_name1\n\n{…}\n\n## function_name2\n\n{…}\n在调用上述函数时，请使用 Json 格式表示调用的参数。”

<|user|> 北京的天气怎么样？

<|assistant|> get_weather\n{“location”:”北京”}

<|observation|> {“temperature_c”: 12, “description”: “haze”}

<|assistant|> 根据天气工具的信息，北京的天气是：温度 12 摄氏度，有雾。

<|user|> 这样的天气适合外出活动吗？

<|assistant|> 北京现在有雾，气温较低，建议您考虑一下是否适合外出进行锻炼。

<|user|>

---

高亮部分为需要计算 loss 的 token。注意<|assistant|＞后的内容和角色 token 都需要算 loss。

此部分可以参考 GLM4 的官方实现： tokenizer 的代码中的 apply_chat_template 方法。

格式化后的数据样例

{
  "messages": [
    {
      "role": "system",
      "content": "",
      "tools": [
        {
          "type": "function",
          "function": {
            "name": "search_hotels",
            "description": "根据用户的需求生成查询条件来查酒店",
            "parameters": {
              "type": "object",
              "properties": {
                "name": {
                  "type": "string",
                  "description": "酒店名称"
                },
                "type": {
                  "type": "string",
                  "enum": [
                    "豪华型",
                    "经济型",
                    "舒适型",
                    "高档型"
                  ],
                  "description": "酒店类型"
                },
                "facilities": {
                  "type": "array",
                  "items": {
                    "type": "string"
                  },
                  "description": "酒店能提供的设施列表"
                },
                "price_range_lower": {
                  "type": "number",
                  "minimum": 0,
                  "description": "价格下限"
                },
                "price_range_upper": {
                  "type": "number",
                  "minimum": 0,
                  "description": "价格上限"
                },
                "rating_range_lower": {
                  "type": "number",
                  "minimum": 0,
                  "maximum": 5,
                  "description": "评分下限"
                },
                "rating_range_upper": {
                  "type": "number",
                  "minimum": 0,
                  "maximum": 5,
                  "description": "评分上限"
                }
              },
              "required": [
                
              ]
            }
          }
        }
      ]
    },
    {
      "role": "user",
      "content": "我想找一家叫瑞洁宾舍民宿的酒店"
    },
    {
      "role": "assistant",
      "content": "search_hotels\n{\"name\": \"瑞洁宾舍民宿\"}"
    },
    {
      "role": "observation",
      "content": "[{\"address\": \"北京西城区新农街17号\", \"facilities\": \"酒店提供的设施:公共区域和部分房间提供wifi;国际长途电话;吹风机;24小时热水;西式餐厅;无烟房;早餐服务;接站服务;接机服务;接待外宾;行李寄存;看护小孩服务;叫醒服务;收费停车位\", \"hotel_id\": 782, \"name\": \"北京瑞洁宾舍民宿\", \"phone\": \"010-83133338\", \"price\": 249, \"rating\": 4.5, \"subway\": \"珠市口地铁站D口\", \"type\": \"舒适型\"}]"
    },
    {
      "role": "assistant",
      "content": "为您查到北京瑞洁宾舍民宿，您要选择这家吗"
    }
  ]
}

划重点：

1. 在 messages 字段中组织对话轮次
2. 在 tools 的定义放在 system 角色中，描述 function 和 parameters 的定义
3. 以 user 和 assistant 标识出用户输入与系统回复
4. 在 function call 的角色为 assistant，格式为 function_name\n{"arg":"val", ...}
5. 以 observation 标识出 function 的返回结果

11.5、如何在 Llama3/Qwen2 中实现类似 Function Calling 的效果

1. 我们自定义 user、assistant、search、return 四个角色
   • 因为只有一个 function，我们直接把 function 标识成 search
2. 每轮 assistant 和 search 前缀也由模型自动生成，我们以此判断是 function 还是文本回复
3. 类似 GLM4-9b，我们以预留的特殊 token，来标识每个轮次的角色和轮次结束
   • 例如：<|start_header_id|>角色<|end_header_id|>内容 … …<|eot_id|>
   • 其中 <|start_header_id|>，<|end_header_id|>，<|eot_id|> 是 Llama 3 预留的特殊 token

Function Call 的样例

输入

<|start_header_id|>user<|end_header_id|>你好，请帮我推荐一个提供无烟房的舒适型酒店可以吗？<|eot_id|>

输出

<|start_header_id|>search<|end_header_id|>{"facilities": ["无烟房"], "type": "舒适型"}}<|eot_id|>

文本回复的样例

输入

<|start_header_id|>user<|end_header_id|>你好，请帮我推荐一个提供无烟房的舒适型酒店可以吗？<|eot_id|>

<|start_header_id|>search<|end_header_id|>{"facilities": ["无烟房"], "type": "舒适型"}}<|eot_id|>

<|start_header_id|>return<|end_header_id|>[{"name": "北京红驿栈酒店", "type": "舒适型", "address": "北京朝阳区东直门外春秀路太平庄 10 号(主副楼在一幢建筑里)", "subway": "东直门地铁站 E 口", "phone": "010-64171066", "facilities": ["公共区域和部分房间提供 wifi", "宽带上网", "国际长途电话", "吹风机", "24 小时热水", "暖气", "无烟房", "早餐服务", "接待外宾", "行李寄存", "叫醒服务"], "price": 344.0, "rating": 4.7, "hotel_id": 51}, {"name": "维也纳国际酒店(北京广安门店)", "type": "舒适型", "address": "北京西城区白广路 7 号", "subway": "广安门内地铁站 C 口", "phone": "010-83539988", "facilities": ["酒店各处提供 wifi", "宽带上网", "吹风机", "24 小时热水", "中式餐厅", "会议室", "无烟房", "商务中心", "早餐服务", "洗衣服务", "行李寄存", "叫醒服务"], "price": 553.0, "rating": 4.7, "hotel_id": 56}]}]<|eot_id|>

输出

<|start_header_id|>assistant<|end_header_id|>没问题，推荐你去北京红驿栈酒店和维也纳国际酒店(北京广安门店)，都挺好的。<|eot_id|>

11.6、编写训练代码

见附件: fine-tuning-lab.zip

11.7、训练后，在测试集上的参考指标

1. 针对 Function Calling 的每个参数（即 Slot），我们评估准确率、召回率、F1 值
2. 针对文本回复，我们评估输出文本与参考文本之间的 BLEU Score
3. 如果本该是 Function Calling 的轮次，模型回复了文本，则所有指标为 0，反之 BLEU Score 为 0

Model	Method	BLEU-4	SLOT-P	SLOT-R	SLOT-F1
GLM4-9B	Functional Call	53.53	82.79	73.47	77.85
	QLoRA	67.41	95.95	96.74	96.34
Llama3.1-8B	Prompt	51.94	92.55	87.84	90.19
	QLoRA	66.53	97.23	95.98	96.60
Qwen2-7B	Prompt	23.43	85.21	88.91	88.02
	LoRA	66.70	96.42	95.34	95.87

思考： 这版模型不支持 “XXX附近的酒店” 这类问法，为什么？

数据准备与处理

12.1、数据采集

• 自然来源（如业务日志）：真实数据
• Web 抓取：近似数据
• 人造

12.2、数据标注

• 专业标注公司
  • 定标准，定验收指标
  • 预标注
  • 反馈与优化
  • 正式标注
  • 抽样检查：合格->验收；不合格->返工
• 众包
  • 定标准，定检验指标
  • 抽样每个工作者的质量
  • 维系高质量标注者社区
• 主动学习：通过模型选择重要样本，由专家标注，再训练模型
• 设计产品形态，在用户自然交互中产生标注数据（例如点赞、收藏）

12.3、数据清洗

• 去除不相关数据
• 去除冗余数据（例如重复的样本）
• 去除误导性数据（业务相关）

12.4、样本均衡性

• 尽量保证每个标签（场景/子问题）都有足够多的训练样本
• 每个标签对应的数据量尽量相当
  • 或者在保证每个标签样本充值的前提下，数据分布尽量接近真实业务场景的数据分布
• 数据不均衡时的策略
  • 数据增强：为数据不够类别造数据：（1）人工造；（2）通过模板生成再人工标注；（3）由模型自动生成（再人工标注/筛选）
  • 数据少的类别数据绝对数量也充足时，Downsample 一般比 Upsample 效果好
  • 实在没办法的话，在训练 loss 里加权（一般不是最有效的办法）
• 根据业务属性，保证其他关键要素的数据覆盖，例如：时间因素、地域因素、用户年龄段等

12.5、数据集构建

• 数据充分的情况下
  • 切分训练集（训练模型）、验证集（验证超参）、测试集（检验最终模型+超参的效果）
  • 以随机采样的方式保证三个集合的数据分布一致性
  • 在以上三个集合里都尽量保证各个类别/场景的数据覆盖
• 数据实在太少
  • 交叉验证

训练不同模型需要多少显存？

• 占用显存的大头主要分为四部分：模型参数、前向计算过程中产生的中间激活、后向传递计算得到的梯度、优化器状态。
• HuggingFace 官方推出一个在线工具，可以估算模型的显存使用情况。