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仅用250美元，Hugging Face技术主管手把手教你微调Llama 3

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大语言模型的微调一直是说起来容易做起来难的事儿。近日 Hugging Face 技术主管 Philipp Schmid 发表了一篇博客，详细讲解了如何利用 Hugging Face 上的库和 fsdp 以及 Q-Lora 对大模型进行微调。

我们知道，Meta 推出的 Llama 3、Mistral AI 推出的 Mistral 和 Mixtral 模型以及 AI21 实验室推出的 Jamba 等开源大语言模型已经成为 OpenAI 的竞争对手。

不过，大多数情况下，使用者需要根据自己的数据对这些开源模型进行微调，才能充分释放模型的潜力。

虽然在单个 GPU 上使用 Q-Lora 对较小的大语言模型（如 Mistral）进行微调不是难事，但对像 Llama 3 70b 或 Mixtral 这样的大模型的高效微调直到现在仍是一个难题。

因此，Hugging Face 技术主管 Philipp Schmid 介绍了如何使用 PyTorch FSDP 和 Q-Lora，并在 Hugging Face 的 TRL、Transformers、peft 和 datasets 等库的帮助下，对 Llama 3 进行微调。除了 FSDP，作者还对 PyTorch 2.2 更新后的 Flash Attention v2 也进行了适配。

微调主要步骤如下：

设置开发环境

创建并加载数据集

使用 PyTorch FSDP、Q-Lora 和 SDPA 微调大语言模型

测试模型并进行推理

注：本文进行的实验是在英伟达（NVIDIA）H100 和英伟达（NVIDIA）A10G GPU 上创建和验证的。配置文件和代码针对 4xA10G GPU 进行了优化，每个 GPU 均配备 24GB 内存。如果使用者有更多的算力，第 3 步提到的配置文件（yaml 文件）需要做相应的修改。

FSDP+Q-Lora 背景知识

基于一项由 Answer.AI、Q-Lora 创建者 Tim Dettmers 和 Hugging Face 共同参与的合作项目，作者对 Q-Lora 和 PyTorch FSDP（完全共享数据并行）所能提供的技术支持进行了总结。

FSDP 和 Q-Lora 的结合使用能让使用者在 2 个消费级 GPU（24GB）上就能对 Llama 2 70b 或 Mixtral 8x7B 进行微调，细节可以参考下面文章。其中 Hugging Face 的 PEFT 库对此有至关重要的作用。

文章地址：https://www.answer.ai/posts/2024-03-06-fsdp-qlora.html

PyTorch FSDP 是一种数据 / 模型并行技术，它可以跨 GPU 分割模型，减少内存需求，并能够更有效地训练更大的模型。Q-LoRA 是一种微调方法，它利用量化和低秩适配器来有效地减少计算需求和内存占用。

设置开发环境

第一步是安装 Hugging Face Libraries 以及 Pyroch，包括 trl、transformers 和 datasets 等库。trl 是建立在 transformers 和 datasets 基础上的一个新库，能让对开源大语言模型进行微调、RLHF 和对齐变得更容易。

# Install Pytorch for FSDP and FA/SDPA
%pip install "torch==2.2.2" tensorboard

# Install Hugging Face libraries
%pip install  --upgrade "transformers==4.40.0" "datasets==2.18.0" "accelerate==0.29.3" "evaluate==0.4.1" "bitsandbytes==0.43.1" "huggingface_hub==0.22.2" "trl==0.8.6" "peft==0.10.0"

接下来，登录 Hugging Face 获取 Llama 3 70b 模型。

创建和加载数据集

环境设置完成后，我们就可以开始创建和准备数据集了。微调用的数据集应该包含使用者想要解决的任务的示例样本。阅读《如何在 2024 年使用 Hugging Face 微调 LLM》可以进一步了解如何创建数据集。

文章地址：https://www.philschmid.de/fine-tune-llms-in-2024-with-trl#3-create-and-prepare-the-dataset

作者使用了 HuggingFaceH4/no_robots 数据集，这是一个包含 10,000 条指令和样本的高质量数据集，并且经过了高质量的数据标注。这些数据可用于有监督微调（SFT），使语言模型更好地遵循人类指令。no_robots 数据集以 OpenAI 发表的 InstructGPT 论文中描述的人类指令数据集为原型，并且主要由单句指令组成。

{"messages": [{"role": "system", "content": "You are..."}, {"role": "user", "content": "..."}, {"role": "assistant", "content": "..."}]}
{"messages": [{"role": "system", "content": "You are..."}, {"role": "user", "content": "..."}, {"role": "assistant", "content": "..."}]}
{"messages": [{"role": "system", "content": "You are..."}, {"role": "user", "content": "..."}, {"role": "assistant", "content": "..."}]}

no_robots 数据集中的 10,000 个样本，被分为 9,500 个训练样本和 500 个测试样本，其中有些样本不包含 system 信息。作者使用 datasets 库加载数据集，添加了缺失的 system 信息，并将它们保存到单独的 json 文件中。示例代码如下所示：

from datasets import load_dataset

# Convert dataset to OAI messages
system_message = """You are Llama, an AI assistant created by Philipp to be helpful and honest. Your knowledge spans a wide range of topics, allowing you to engage in substantive conversations and provide analysis on complex subjects."""


def create_conversation(sample):
    if sample["messages"][0]["role"] == "system":
        return sample    else:
      sample["messages"] = [{"role": "system", "content": system_message}] + sample["messages"]
      return sample

# Load dataset from the hub
dataset = load_dataset("HuggingFaceH4/no_robots")


# Add system message to each conversation
columns_to_remove = list(dataset["train"].features)
columns_to_remove.remove("messages")
dataset = dataset.map(create_conversation, remove_columns=columns_to_remove,batched=False)


# Filter out conversations which are corrupted with wrong turns, keep which have even number of turns after adding system message
dataset["train"] = dataset["train"].filter(lambda x: len(x["messages"][1:]) % 2 == 0)
dataset["test"] = dataset["test"].filter(lambda x: len(x["messages"][1:]) % 2 == 0)


# save datasets to disk
dataset["train"].to_json("train_dataset.json", orient="records", force_ascii=False)
dataset["test"].to_json("test_dataset.json", orient="records", force_ascii=False)

使用 PyTorch FSDP、Q-Lora 和 SDPA 来微调 LLM

接下来使用 PyTorch FSDP、Q-Lora 和 SDPA 对大语言模型进行微调。作者是在分布式设备中运行模型，因此需要使用 torchrun 和 python 脚本启动训练。

作者编写了 run_fsdp_qlora.py 脚本，其作用是从磁盘加载数据集、初始化模型和分词器并开始模型训练。脚本使用 trl 库中的 SFTTrainer 来对模型进行微调。

SFTTrainer 能够让对开源大语言模型的有监督微调更加容易上手，具体来说有以下几点：

格式化的数据集，包括格式化的多轮会话和指令（已使用）

只对完整的内容进行训练，忽略只有 prompts 的情况（未使用）

打包数据集，提高训练效率（已使用）

支持参数高效微调技术，包括 Q-LoRA（已使用）

为会话级任务微调初始化模型和分词器（未使用，见下文）

注意：作者使用的是类似于 Anthropic/Vicuna 的聊天模板，设置了「用户」和「助手」角色。这样做是因为基础 Llama 3 中的特殊分词器（<|begin_of_text|> 及 <|reserved_special_token_XX|>）没有经过训练。

这意味着如果要在模板中使用这些分词器，还需要对它们进行训练，并更新嵌入层和 lm_head，对内存会产生额外的需求。如果使用者有更多的算力，可以修改 run_fsdp_qlora.py 脚本中的 LLAMA_3_CHAT_TEMPLATE 环境变量。

在配置参数方面，作者使用了新的 TrlParser 变量，它允许我们在 yaml 文件中提供超参数，或者通过明确地将参数传递给 CLI 来覆盖配置文件中的参数，例如 —num_epochs 10。以下是在 4x A10G GPU 或 4x24GB GPU 上微调 Llama 3 70B 的配置文件。

%%writefile llama_3_70b_fsdp_qlora.yaml# script parameters
model_id: "meta-llama/Meta-Llama-3-70b" # Hugging Face model id
dataset_path: "."                      # path to dataset
max_seq_len:  3072 # 2048              # max sequence length for model and packing of the dataset
# training parameters
output_dir: "./llama-3-70b-hf-no-robot" # Temporary output directory for model checkpoints
report_to: "tensorboard"               # report metrics to tensorboard
learning_rate: 0.0002                  # learning rate 2e-4
lr_scheduler_type: "constant"          # learning rate scheduler
num_train_epochs: 3                    # number of training epochs
per_device_train_batch_size: 1         # batch size per device during training
per_device_eval_batch_size: 1          # batch size for evaluation
gradient_accumulation_steps: 2         # number of steps before performing a backward/update pass
optim: adamw_torch                     # use torch adamw optimizer
logging_steps: 10                      # log every 10 steps
save_strategy: epoch                   # save checkpoint every epoch
evaluation_strategy: epoch             # evaluate every epoch
max_grad_norm: 0.3                     # max gradient norm
warmup_ratio: 0.03                     # warmup ratio
bf16: true                             # use bfloat16 precision
tf32: true                             # use tf32 precision
gradient_checkpointing: true           # use gradient checkpointing to save memory
# FSDP parameters: https://huggingface.co/docs/transformers/main/en/fsdp
fsdp: "full_shard auto_wrap offload" # remove offload if enough GPU memory
fsdp_config:
  backward_prefetch: "backward_pre"
  forward_prefetch: "false"
  use_orig_params: "false"

注意：训练结束时，GPU 内存使用量会略有增加（约 10%），这是因为模型保存所带来的开销。所以使用时，请确保 GPU 上有足够的内存来保存模型。

在启动模型训练阶段，作者使用 torchrun 来更加灵活地运用样本，并且易于被调整，就像 Amazon SageMaker 及 Google Cloud Vertex AI 一样。

对于 torchrun 和 FSDP，作者需要对环境变量 ACCELERATE_USE_FSDP 和 FSDP_CPU_RAM_EFFICIENT_LOADING 进行设置，来告诉 transformers/accelerate 使用 FSDP 并以节省内存的方式加载模型。

注意：如果想不使用 CPU offloading 功能，需要更改 fsdp 的设置。这种操作只适用于内存大于 40GB 的 GPU。

本文使用以下命令启动训练：

!ACCELERATE_USE_FSDP=1 FSDP_CPU_RAM_EFFICIENT_LOADING=1 torchrun --nproc_per_node=4 ./scripts/run_fsdp_qlora.py --config llama_3_70b_fsdp_qlora.yaml

预期内存使用情况：

使用 FSDP 进行全微调需要约 16 块 80GB 内存的 GPU

FSDP+LoRA 需要约 8 块 80GB 内存的 GPU

FSDP+Q-Lora 需要约 2 块 40GB 内存的 GPU

FSDP+Q-Lora+CPU offloading 技术需要 4 块 24GB 内存的 GPU，以及一块具备 22 GB 内存的 GPU 和 127 GB 的 CPU RAM，序列长度为 3072、batch 大小为 1。

在 g5.12xlarge 服务器上，基于包含 1 万个样本的数据集，作者使用 Flash Attention 对 Llama 3 70B 进行 3 个 epoch 的训练，总共需要 45 小时。每小时成本为 5.67 美元，总成本为 255.15 美元。这听起来很贵，但可以让你在较小的 GPU 资源上对 Llama 3 70B 进行微调。

如果我们将训练扩展到 4x H100 GPU，训练时间将缩短至大约 125 小时。如果假设 1 台 H100 的成本为 5-10 美元 / 小时，那么总成本将在 25-50 美元之间。

我们需要在易用性和性能之间做出权衡。如果能获得更多更好的计算资源，就能减少训练时间和成本，但即使只有少量资源，也能对 Llama 3 70B 进行微调。对于 4x A10G GPU 而言，需要将模型加载到 CPU 上，这就降低了总体 flops，因此成本和性能会有所不同。

注意：在作者进行的评估和测试过程中，他注意到大约 40 个最大步长（将 80 个样本堆叠为长度为三千的序列）就足以获得初步结果。40 个步长的训练时间约为 1 小时，成本约合 5 美元。

可选步骤：将 LoRA 的适配器融入原始模型

使用 QLoRA 时，作者只训练适配器而不对整个模型做出修改。这意味着在训练过程中保存模型时，只保存适配器权重，而不保存完整模型。

如果使用者想保存完整的模型，使其更容易与文本生成推理器一起使用，则可以使用 merge_and_unload 方法将适配器权重合并到模型权重中，然后使用 save_pretrained 方法保存模型。这将保存一个默认模型，可用于推理。

注意：CPU 内存需要大于 192GB。

#### COMMENT IN TO MERGE PEFT AND BASE MODEL ####
# from peft import AutoPeftModelForCausalLM


# # Load PEFT model on CPU
# model = AutoPeftModelForCausalLM.from_pretrained(
#     args.output_dir,
#     torch_dtype=torch.float16,
#     low_cpu_mem_usage=True,
# )
# # Merge LoRA and base model and save
# merged_model = model.merge_and_unload()
# merged_model.save_pretrained(args.output_dir,safe_serialization=True, max_shard_size="2GB")

模型测试和推理

训练完成后，我们要对模型进行评估和测试。作者从原始数据集中加载不同的样本，并手动评估模型。评估生成式人工智能模型并非易事，因为一个输入可能有多个正确的输出。阅读《评估 LLMs 和 RAG，一个使用 Langchain 和 Hugging Face 的实用案例》可以了解到关于评估生成模型的相关内容。

文章地址：https://www.philschmid.de/evaluate-llm

import torchfrom peft import AutoPeftModelForCausalLMfrom transformers import AutoTokenizer

peft_model_id = "./llama-3-70b-hf-no-robot"


# Load Model with PEFT adapter
model = AutoPeftModelForCausalLM.from_pretrained(
  peft_model_id,
  torch_dtype=torch.float16,
  quantization_config= {"load_in_4bit": True},
  device_map="auto"
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(peft_model_id)

接下来加载测试数据集，尝试生成指令。

from datasets import load_datasetfrom random import randint



# Load our test dataset
eval_dataset = load_dataset("json", data_files="test_dataset.json", split="train")
rand_idx = randint(0, len(eval_dataset))
messages = eval_dataset[rand_idx]["messages"][:2]


# Test on sample
input_ids = tokenizer.apply_chat_template(messages,add_generation_prompt=True,return_tensors="pt").to(model.device)
outputs = model.generate(
    input_ids,
    max_new_tokens=512,
    eos_token_id= tokenizer.eos_token_id,
    do_sample=True,
    temperature=0.6,
    top_p=0.9,
)
response = outputs[0][input_ids.shape[-1]:]


print(f"**Query:**\n{eval_dataset[rand_idx]['messages'][1]['content']}\n")
print(f"**Original Answer:**\n{eval_dataset[rand_idx]['messages'][2]['content']}\n")
print(f"**Generated Answer:**\n{tokenizer.decode(response,skip_special_tokens=True)}")


# **Query:**
# How long was the Revolutionary War?
# **Original Answer:**
# The American Revolutionary War lasted just over seven years. The war started on April 19, 1775, and ended on September 3, 1783.
# **Generated Answer:**
# The Revolutionary War, also known as the American Revolution, was an 18th-century war fought between the Kingdom of Great Britain and the Thirteen Colonies. The war lasted from 1775 to 1783.

至此，主要流程就介绍完了，心动不如行动，赶紧从第一步开始操作吧。

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更新时间 2024-05-28