QLoRa：在消费级GPU上微调大型语言模型

大多数大型语言模型(LLM)都无法在消费者硬件上进行微调。例如，650亿个参数模型需要超过780 Gb的GPU内存。这相当于10个A100 80gb的gpu。就算我们使用云服务器，花费的开销也不是所有人都能够承担的。

而QLoRa (Dettmers et al.， 2023)，只需使用一个A100即可完成此操作。

在这篇文章中将介绍QLoRa。包括描述它是如何工作的，以及如何使用它在GPU上微调具有200亿个参数的GPT模型。

为了进行演示，本文使用nVidia RTX 3060 12 GB来运行本文中的所有命令。这样可以保证小显存的要求，并且也保证可以使用免费的Google Colab实例来实现相同的结果。但是，如果你只有较小内存的GPU，则必须使用较小的LLM。

QLoRa: Quantized LLMs with Low-Rank Adapters

2021年6月，发布的LoRa让我们的微调变得简单，我也在以前的文章中也有过介绍。

LoRa为LLM的每一层添加了少量的可训练参数（适配器），并冻结了所有原始参数。这样对于微调，只需要更新适配器权重，这可以显著减少内存占用。

而QLoRa更进一步，引入了4位量化、双量化和利用nVidia统一内存进行分页。

简而言之，QLoRa工作原理如下:

• 4位NormalFloat量化:这是一种改进量化的方法。它确保每个量化仓中有相同数量的值。这避免了计算问题和异常值的错误。
• 双量化:QLoRa的作者将其定义如下“对量化常量再次量化以节省额外内存的过程。”
• 统一内存分页:它依赖于NVIDIA统一内存管理，自动处理CPU和GPU之间的页到页传输。它可以保证GPU处理无错，特别是在GPU可能耗尽内存的情况下。

所有这些步骤都大大减少了微调所需的内存，同时性能几乎与标准微调相当。

使用QLoRa对GPT模型进行微调

硬件要求：

下面的演示工作在具有12gb VRAM的GPU上，用于参数少于200亿个模型，例如GPT-J。

如果你有一个更大的卡，比如24gb的VRAM，则可以用一个200亿个参数的模型，例如GPT-NeoX-20b。

内存建议至少6 Gb，这个条件现在都能满足对吧。

GPT-J和GPT-NeoX-20b都是非常大的模型。所以硬盘议至少有100gb的可用空间。

如果你的机器不满足这些要求，可以使用Google Colab的免费实例，因为它就足够使用了。

软件要求:

必须要CUDA。这是肯定的。然后还需要一些依赖:

• bitsandbytes:包含量化LLM所需的所有库。
• Hugging Face的Transformers和Accelerate:这些是标准库，用于训练模型。
• PEFT:提供了各种微调方法的实现，我们只需要里面的LoRa。
• 数据集:自己的数据集，这里安装了Hugging Face的datasets，这个是备选，装不装无所谓，因为这玩意挺难用的

PIP安装命令如下：

pip install -q -U bitsandbytes
 pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/transformers.git
 pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/peft.git
 pip install -q -U git+https://github.com/huggingface/accelerate.git
 pip install -q datasets

下面就是Python代码

1、GPT模型的加载与量化

我们需要以下导入来加载和量化LLM。

import torch
 from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig

我们将对EleutherAI预训练的GPT NeoX模型进行微调。这是一个有200亿个参数的模型。注意:GPT NeoX具有允许商业使用的宽松许可证(Apache 2.0)。

可以从hug Face Hub获得这个模型和相关的标记器:

model_name = "EleutherAI/gpt-neox-20b"
 
 #Tokenizer
 tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)

然后配置量化器，如下所示:

quant_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,
    bnb_4bit_use_double_quant=True,
    bnb_4bit_quant_type="nf4",
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.bfloat16
 )

• load_in_4bit:模型将以4位精度加载到内存中。
• bnb_4bit_use_double_quant:QLoRa提出的双量化。
• bnb_4bit_quant_type:这是量化的类型。“nf4”代表4位的NormalFloat。
• bnb_4bit_compute_dtype:当以4位加载和存储模型时，在需要时对其进行部分量化，并以16位精度(bfloat16)进行所有计算。

然后就可以加载4位模型:

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_name, quantization_cnotallow=quant_config, device_map={"":0})

下一步启用梯度检查点，这样可以减少内存占用，但是速度会稍微降低一些:

model.gradient_checkpointing_enable()

2、LoRa的GPT模型预处理

为LoRa准备模型，为每一层添加可训练的适配器。

from peft import prepare_model_for_kbit_training, LoraConfig, get_peft_model
 
 model = prepare_model_for_kbit_training(model)
 
 config = LoraConfig(
    r=8,
    lora_alpha=32,
    target_modules=["query_key_value"],
    lora_dropout=0.05,
    bias="none",
    task_type="CAUSAL_LM"
 )
 
 model = get_peft_model(model, config)

在LoraConfig中，可以使用r、alpha和dropout来获得更好的任务结果。具体内容可以在PEFT文档中找到更多选项和详细信息。

使用LoRa，我们只添加了800万个参数。并且只训练这些参数，这样使得微调很快。

3、数据集

对于这个演示，我们使用“english_quotes”数据集。这是一个由名言组成的数据集，在CC BY 4.0许可下发布。我们为了方便使用datasets直接加载。

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

4、微调

微调的代码非常标准

import transformers
 
 tokenizer.pad_token = tokenizer.eos_token
 
 trainer = transformers.Trainer(
    model=model,
    train_dataset=data["train"],
    args=transformers.TrainingArguments(
        per_device_train_batch_size=1,
        gradient_accumulation_steps=8,
        warmup_steps=2,
        max_steps=20,
        learning_rate=2e-4,
        fp16=True,
        logging_steps=1,
        output_dir="outputs",
        optim="paged_adamw_8bit"
    ),
    data_collator=transformers.DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer, mlm=False),
 )
 trainer.train()

要记住optim=”paged_adamw_8bit”。它将使用分页实现更好的内存管理。没有它可能会出现内存不足错误。

在Google Colab上运行这个微调只需要5分钟。VRAM消耗的峰值是15gb。

它有用吗?让我们试试推理。

基于QLoRa推理

微调的QLoRa模型可以直接与标准的Transformers的推理一起使用，如下所示:

text = "Ask not what your country"
 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))

你应该得到这样的输出:

Ask not what your country can do for you, ask what you can do for your country.”
 
 – John F.

5分钟的微调效果还可以吧。

总结

LoRa让我们的微调变得简单，而QLoRa可以让我们使用消费级的GPU对具有10亿个参数的模型进行微调，并且根据QLoRa论文，性能不会显著下降。

如果你对QLoRa感兴趣，看看他的代码吧：

https://github.com/artidoro/qlora