华为盘古大模型变「小」，1.5B也很能打

ChatGPT 等系列模型横空出世，以其强大的性能引起了全球的关注，有望改变人与计算机之间的交互方式，应用到千行百业。然而这些大型模型的实际需要极高的内存和计算资源，限制了它们在各种场景中的应用。例如，具有 175B 参数的 GPT-3 在使用 FP32 数据类型存储时需要大约 700GB 内存。尽管 7B 参数模型相对更高效，但其资源需求仍然难以直接部署在手机等边缘设备上。

此外，尽管许多研究已经成功地打造出多个效果很好的大语言模型，但他们往往采用相似的训练策略。一方面，大量工作集中在收集和清理数据上，较少强调研究有效的训练策略。另一方面，大型模型的训练需要极高的计算资源投入，使得探索大量的优化策略并不切实际。

• 盘古 π 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2312.17276.pdf

• “小” 模型训练论文链接：https://arxiv.org/pdf/2402.02791.pdf

• 训练实现链接：https://github.com/YuchuanTian/RethinkTinyLM

在这篇工作中，作者以一个 1B 大小的语言模型作为载体，详细讨论了小的语言模型应该如何炼丹。作者从模型结构、参数初始化、模型优化方法三个角度展开研究：总结出四条提升小语言模型效果的炼丹术：

1、 分词器裁剪（Tokenizer）：在小的模型直接继承大模型的 Tokenizer 会引入冗余参数，增加计算开销增加。删除 Tokenizer 中的低频词汇，可以减少 Tokenizer 参数量，为模型主体留足空间。

2、 模型架构调优：模型的深度、宽度对小语言模型效果极大。同参数量下，较深的模型往往效果更好，但推理效率更低。

3、 参数继承：继承大模型参数作为初始值可以提升模型效果并加速收敛。在挑选参数时，首尾层比中间层更重要，每层内的有效参数可以通过可学 mask 得到。

4、 多轮训练：多轮训练被验证对训小模型有效。上一轮训练记录的 loss 值等中间结果可以指导样本的挑选，降低多轮训练的代价。

基于上述策略，作者构建了两个 PanGu-π-1B Pro 和 PanGu-π-1.5B Pro。与类似规模的模型相比，取得了更优的效果。

^{PanGu-π-1B 和 PanGu-π-1.5B 的结构设定}

^{在通用测评集（考试、知识、推理、理解）与相近规模模型的比较。}

以下将对四条炼丹术做详细分析。为了控制成本，大多数实验是基于 1B 模型在 50B 条中英文语料上完成的。

分词器裁剪

多语言大模型往往采用一个很大的词表来覆盖各种语料库，但是对于小模型来说，一个大词表就已经占用很多参数了。例如，Qwen-7B、Baichuan2-7B 和 PanGu-π-7B 的词汇量分别为 151936、125696、100883。它们的头部和嵌入层的参数分别占总体参数的 16.12\%、13.72\%、10.91\%。而对于 1B 模型来说模型，使用相同的分词器会占到模型大小的 30% 以上。

实际上，词表中存在大量冗余。通过使用从 PanGu-$\pi$ 模型继承的 100k 词汇表初始化分词器，我们对包含大约 1.6T 分词的庞大语料库进行了频率分析。如下图所示，词表表现出长尾效应，其中前 48k 词汇就占据训练语料库的 97.86%，也就是说超过 50% 的词汇可能是多余的，因为它们只满足不到 3% 的语料库。把低频词表删除，就可以大幅降低词表参数量，把空间留给模型主体，用于提升模型表达能力。

^{97.86% 的数据可以被 48k 的小词表表示}

^{参数量占比：（a）使用直接继承的大词表 （b）使用裁剪后的词表}

^{模型效果与词表大小的关系（固定参数量为 1B）}

模型架构调优

模型架构的配置，例如宽度、深度和扩展率，对小语言模型的最终性能有相当大的影响。作者做了大量实验进行分析，发现深度影响小语言模型效果最重要的因素。一个更深的模型效果更好，但在 GPU 的推理速度也会低一些，以下是在 50B 数据上具体的实验结果。

^{深度、宽度对 1B 模型效果的影响（固定扩张率）}

^{FFN 扩张率对 1B 模型效果的影响（固定深度）}

^{固定模型参数量为 1B 左右，模型效果与深度、宽度、扩张率之间的关系。}

参数继承

大模型耗费大量算力在大量数据上进行训练，拥有强大的泛化能力。作者验证了从大模型中继承参数可以从一个较高的起点开始训模型，能够有效提升模型效果。

作者首先验证了模型各个层的重要性。对于 LLaMA2-7B、LLaMA2-13B、InternLM-7B 和 PanGu-π-7B 等多个大模型，作者跳过了一些层，来观察跳过后模型效果的变化。不同模型都展现出类似的规律：越靠近模型两端的层对模型效果的影响最大，删除一些中间层对模型效果影响较小。因此参数继承时，可以删除大模型部分中间层，来对齐大小模型的深度。

^{删除大模型中的多个层来验证层的重要性。不同大模型上的实验结果表明，靠近首尾的层中间层更重要。}

在每个层内部，可以用各种度量函数来评估参数的重要性，包括权重的范数、泰勒展开式、数据驱动可学的度量等。下图比较了使用不同度量选择参数后模型训练效果和收敛速度。使用数据驱动学习的度量是最有效的，可以从较好的起点开始，以更快的速度收敛到更低的 loss 值。

^{不同参数选择方法效果的比较}

多轮训练

现在大多数大模型通常只训练一轮语言模型，即所有的数据只用一次来更新模型，模型的参数实际上并未充分收敛。同时，小语言模型容量较小，也使得模型的遗忘问题更加严重。作者提出应当对模型进行多轮训练，来减轻遗忘问题。

为了降低多轮训练的成本，可以使用第一轮的训练 loss 来做数据筛选和精炼，优先选择 loss 大的数据送入第二轮。用 r 表示第 2 轮训练时样本的采样率，可以发现当采样率超过 50% 时，模型效果的提升比较小。

^{第二轮训练时数据采样率的影响}

以下是模型在全量数据（1.6T token）上的训练曲线，可以发现第二轮训练时，模型效果依然有非常明显的提升。

^{训练过程中，PanGu-π-1B 和 PanGu-π-1B Pro 模型在 HellaSwag 数据集上的效果}