大模型（LLMs）推理面¶

来自： AiGC面试宝典

2023年10月22日22:43

大模型（LLMs）推理面

为什么大模型推理时显存涨的那么多还一直占着？
大模型在gpu和cpu上推理速度如何？
推理速度上，int8和fp16比起来怎么样？
大模型有推理能力吗？
大模型生成时的参数怎么设置？
有哪些省内存的大语言模型训练/微调/推理方法

6.1 如何估算模型所需的RAM?

• 6.2 Fp16-mixed precision

• 6.3 Int8-bitsandbytes

6.4 LoRA

• 6.5 Gradient Checkpointing

• 6.6 Torch FSDP+CPU offload

如何让大模型输出合规化
应用模式变更

1. 为什么大模型推理时显存涨的那么多还一直占着？¶

首先，序列太长了，有很多Q/K/V；

2. 大模型在gpu和cpu上推理速度如何？¶

其次，因为是逐个预测next token，每次要缓存K/V加速解码。

7B量级下：

• cpu推理速度约10token/s;

· 单卡A6000和8核AMD的推理速度通常为10:1。

3. 推理速度上，int8和fp16比起来怎么样？¶

根据实践经验，int8模式一般推理会明显变慢（huggingface的实现）

4. 大模型有推理能力吗？¶

大模型有推理能力。有下面2个方面的体现：

ChatGPT拥有in-context correction的能力，即如果说错了，给出矫正，ChatGPT能“听懂”错在哪儿了，并向正确的方向修正。in-context correction要比in-context learning难了太多，描述越详细清楚，ChatGPT回答得越好。要知道，越详细的描述，在预训练的文本里越难匹配到的。

在询问ChatGPT互联网上并不存在内容的时候，能给出较好答案（如用ChatGPT学建模）；ChatGPT能通过信息猜你心中的想法；你可以制定一个全新的游戏规则让ChatGPT和你玩，ChatGPT可以理解。

5. 大模型生成时的参数怎么设置？¶

生成模型预测调参建议：

生成模型预测调参建议：建议去调整下 top_p, num_beams, repetition_renalty, temperature, do_sample=True; 数据生成有重复，调高repetition_renalty; 生成任务表达单一的，样本也不多的，可适当调低 temperature，生成的样子跟训练集的比较像；如果要复现训练集的效果，temperature=0.01即可。

以上是经验参数，具体调参根据任务而定，不是固定的。

参数解释：

top_p=0.9,

Moderately increase the probability threshold of nucleus sampling to increase the¶

quantity of candidate tokens and increase generation diversity.

temperature=1.0,

The previous low temperature parameter could lead to a severe polarization in the¶

probability distribution of generated words, which degenerates the generation strategy into greedy decoding.

do_sample=True,

do_sample parameter is set to False by default. After setting to True, the¶

generation methods turn into beam-search multinomial sampling decoding strategy.

no_repeat_ngram_size=6,

Configure the probability of the next repeating n-gram to 0, to ensure that there¶

are no n-grams appearing twice. This setting is an empirical preliminary exploration.

repetition_penalty=1.8,

For words that have appeared before, in the subsequent prediction process, we¶

reduce the probability of their reoccurrence by introducing the repetition_penalty parameter. This setting is an empirical preliminary exploration.

6. 有哪些省内存的大语言模型训练/微调/推理方法？¶

• 动机：大模型（LLMs）现在是 NLP 领域的最主流方法之一，但是大模型的训练/微调/推理需要的内存也越来越多。

举例来说，即使 RTX 3090 有着 24GB 的 RAM，是除了 A100 之外显存最大的显卡。但使用一块 RTX 3090 依然无法 fp32 精度训练最小号的 LLaMA-6B。

• Memory-Efficient 的 LLMs 的训练/微调/推理方法

• fp16 • int8 • LoRA • Gradient checkpointing • Torch FSDP • CPU offloading

6.1 如何估算模型所需的RAM?¶

首先，我们需要了解如何根据参数量估计模型大致所需的 RAM，这在实践中有很重要的参考意义。我们需要通过估算设置 batch size，设置模型精度，选择微调方法和参数分布方法等。

接下来，我们用LLaMA-6B 模型为例估算其大致需要的内存。

首先考虑精度对所需内存的影响：

fp32 精度，一个参数需要 32 bits, 4 bytes.

fp16 精度，一个参数需要 16 bits, 2 bytes.

int8 精度，一个参数需要 8 bits, 1 byte.

其次，考虑模型需要的 RAM 大致分三个部分：

· 模型参数

梯度

优化器参数

· 模型参数：等于参数量 $ ^{*} $每个参数所需内存。

• 对于 fp32，LLaMA-6B 需要 $ 6B \times 4 $ bytes = 24GB 内存 • 对于 int8，LLaMA-6B 需要 $ 6B \times 1 $ byte = 6GB

·梯度：同上，等于参数量 $ ^{*} $每个梯度参数所需内存。

优化器参数：不同的优化器所储存的参数量不同。

对于常用的 AdamW 来说，需要储存两倍的模型参数（用来储存一阶和二阶momentum）。

· fp32 的 LLaMA-6B，AdamW 需要 6B*8 bytes = 48 GB

· int8 的 LLaMA-6B，AdamW 需要 6B*2 bytes = 12 GB

除此之外，CUDA kernel 也会占据一些 RAM，大概 1.3GB 左右，查看方式如下。

torch.ones((1, 1)).to("cuda") print_gpu_utilization()

GPU memory occupied: 1343 MB

综上，int8 精度的 LLaMA-6B 模型部分大致需要 6GB+6GB+12GB+1.3GB = 25.3GB 左右。

再根据LLaMA的架构（hidden_size = 4096, intermediate_size = 11008, num_hidden_layers = 32,

context_length = 2048) 计算中间变量内存。

每个 instance 需要：

(4096 +11008) 2048 32 * 1byte = 990MB

所以一张 A100（80GB RAM）大概可以在 int8 精度；batch_size = 50 的设定下进行全参数训练。查看消费级显卡的内存和算力： 2023 GPU Benchmark and Graphics Card Comparison Chart: $ \underline{\text{https://www.gpucheck.com/gpu-benchmark-graphics-card-comparison-chart}} $

6.2 Fp16-mixed precision¶

混合精度训练的大致思路是在 forward pass 和 gradient computation 的时候使用 fp16 来加速，但是在更新参数时使用 fp32。

用torch实现：

CUDA Automatic Mixed Precision examples: https://pytorch.org/docs/stable/notes/amp_examples.html

torch fp16 推理：直接使用 $ \underline{\text{model.half}} $() 将模型转换为 fp16.

model.eval() model.half()

使用 Huggingface Transformers：在 TrainingArguments 里声明

fp16=True $ \underline{\text{https://huggingface.co/docs/transformers/perf train gpu one#fp16-training}} $

6.3 Int8-bitsandbytes¶

Int8 是个很极端的数据类型，它最多只能表示 -128 ~ 127 的数字，并且完全没有精度。

为了在训练和 inference 中使用这个数据类型，bitsandbytes 使用了两个方法最大程度地降低了其带来的误差：

vector-wise quantization
mixed precision decomposition

Huggingface 在这篇文章中用动图解释了 quantization 的实现：https://huggingface.co/blog/hf-bitsandbytes-integration

论文：

LLM.int8(): 8-bit Matrix Multiplication for Transformers at Scale: https://arxiv.org/abs/2208.07339

借助 Huggingface PEFT，使用 int8 训练 opt-6.5B 的完整流程：

https://github.com/huggingface/peft/blob/main/examples/int8_training/Finetune_opt_bnb_peft.ipynb

6.4 LoRA¶

Low-Rank Adaptation 是微调 LLMs 最常用的省内存方法之一。

Figure 1: Our reparametrization. We only train A and B.

LoRA发现再微调LLMs时，更新矩阵（update matrix）往往特别sparse，也就是说update matrix是低秩矩阵。LoRA的作者根据这一特点将update matrix reparametrize为两个低秩矩阵的积。

其中，A 和 B 的秩为 r，且。

如此一来，A+B 的参数量将大大小于 ___.

LoRA的论文：https://arxiv.org/pdf/2106.09685.pdf

借助 Huggingface PEFT 框架，使用 LoRA 微调 mt0：

https://github.com/huggingface/peft/blob/main/examples/conditional_generation/peft_lora_seq2seq.ipynb

6.5 Gradient Checkpointing¶

在 torch 中使用 - 把 model 用一个 customize 的 function 包装一下即可，详见：

Explore Gradient-Checkpointing in PyTorch: https://qywugithub.io/2019/05/22/explore-gradient

checkpointing.html

在 Huggingface Transformers 中使用：

https://huggingface.co/docs/transformers/v4.27.2/en/perf_train_gpu_one#gradient-checkpointing

6.6 Torch FSDP+CPU offload¶

Fully Sharded Data Parallel（FSDP）和 DeepSpeed 类似，均通过 ZeRO 等分布优化算法，减少内存的占用量。其将模型参数，梯度和优化器状态分布至多个 GPU 上，而非像 DDP 一样，在每个 GPU 上保留完整副本。CPU offload 则允许在一个 back propagation 中，将参数动态地从 GPU -> CPU，CPU -> GPU 进行转移，从而节省 GPU 内存。

Huggingface 这篇博文解释了 ZeRO 的大致实现方法：https://huggingface.co/blog/zero-deepspeed-fairscale 借助 torch 实现 FSDP，只需要将 model 用 FSDPwarp 一下；同样，cpu_offload 也只需要一行代码：

https://pytorch.org/blog/introducing-pytorch-fully-sharded-data-parallel-api/

在这个可以查看 FSDP 支持的模型：https://pytorch.org/docs/stable/fsdp.html

在 Huggingface Transformers 中使用 Torch FSDP:

https://huggingface.co/docs/transformers/v4.27.2/en/main_classes/trainer#transformers.Trainin

根据某些 issue，shard_grad_op（只分布保存 optimizer states 和 gradients）模式可能比 fully_shard 更稳定： $ \underline{\text{https://github.com/tatsu-lab/stanford_alpaca/issues/32}} $

7. 如何让大模型输出合规化¶

根据用户的输入问题内容，大模型进行生成回答的内容，但是生成的回答，个且按对外输出给用户。需要进行合规的处理，因为大模型的输出内容不可控，对于严肃的场景，以免引起用户的投诉。所以需要进合并处理。

目前处理的方法，模型生成内容，再把这些内容生成向量，再查询话术向量库，得到最相似的话术。如果查询结果或相似得分比较阈值低或者查询不到结果，则走兜底策略。兜底策略按用户所在的对话阶段，实验不同的兜底话术。或者使用万能兜底话术。

8. 应用模式变更¶

机器人销售场景的case:

纯大模型AI模式，最初直接是大模型机器人直接和用户对话，全流程都是大模型对话走流程。

对比之前的AI（小模型意图、话术策略）+人工模式，发现之前的初始阶段通过率高些，初步判断可能是用户说的太发散，大模型不好收敛。

就调整为AI+大模型AI模式。这样前面的AI主要是小模型意图、话术策略模式，任务引导更明确。大模型可以更好的和有意向的用户进行交互，更容易引导用户成单。

9. 模型输出的分布比较稀疏，怎么处理？¶

可以采用一些方法来处理模型输出的分布稀疏，例如使用softmax函数的温度参数调节来平滑输出分布，或者引入正则化技术，如Dropout，以减少模型对特定类别的过度依赖。

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