LoRA: 大模型快速训练的秘诀

本文是四两拨千斤，训练大模型的PEFT方法的最后一小节，感兴趣读者可以阅读完整版。

LoRA

LORA: LOW-RANK ADAPTATION OF LARGE LANGUAGE MODELS
核心思路是对模型参数做低秩分解，仅训练分解后的参数，模型部署也需额外保存低秩参数，计算时加上低秩参数部分。

LoRA的提出在上述PEFT方法之后，来自微软的研究者认为，现有的Adapter Tuning和Prefix Tuning这两种方法均有缺点：

• Adapter Layers Introduce Inference Latency:
  虽然Adapter后续又有很多变种，但无论如何额外添加的Adapter层都会拖慢推理速度
• Directly Optimizing the Prompt is Hard:
  应用Prefix-Finetuning时，直接优化prompt非常困难，而且其效果也不是随着训练参数的增加而单调递增

Aghajanyan等研究者在论文Intrinsic Dimensionality Explains the Effectiveness of Language Model Fine-Tuning提出了关于大模型的一个核心观察点：预训练模型存在一个低秩的“内在维度”（intrinsic dimension）使得其在被随机映射到一个更小的子空间时仍然可以高效学习。基于这种想法，作者假设预训练模型在转换到下游模型过程中也有一个内在维度，提出了下面的方法。

图中的A，B均为可训练参数，参数A=正态分布，B=0是初始化参数的方法

对于预训练模型权重$W_0\in {\mathbb{R}}^{d\times k}$，引入一个低秩部分$\Delta W$来限制其更新，即：$W_0+\Delta W=W_0+BA$，其中$B\in {\mathbb{R}}^{d\times r}$，$A\in {\mathbb{R}}^{r\times k}$，但秩$r\ll min(d,k)$，训练时$W_0$被冻结不参与梯度更新，仅有$A$和$B$为可训练参数，修改后的前向传播可表示为：
$$h=W_{0}x+\Delta Wx=W_{0}x+BAx$$
这意味着增加的部分$\Delta Wx$和原始部分可以并行计算，没有引入任何推理时延。

总结下来，LoRA拥有以下优点：

1. A Generalization of Full Fine-tuning
   LoRA是一个更通用的finetuning方法，可以仅训练预训练模型参数的一小部分，它不需要在模型适配过程中累积梯度来更新全秩参数。这意味着当应用在全部权重矩阵和偏差项上应用LoRA更新时，通过设置LoRA的秩$r$为预训练权重的秩，基本能够还原全量finetuning同等水平的表征能力。换句话讲，随着我们增大$r$增加可训练参数的数量，使用LoRA方式训练基本可以收敛到训练原始模型。与之形成对比的是，采用adapter的一系列方法仅能收敛到MLP，而基于prefix的方法不能不处理长输入序列。

2. No Additional Inference Latency
   可以按照$W=W_0+BA$来存储和执行推理，迁移到其他任务时，可以减去$BA$，再加上新任务的$B^{\prime }{A}^{\prime }$，仅需一个占用少量存储的快捷操作即可迁移到新任务。这保证了和采用构建的finetuning方法相比，单任务及多任务都没有引入额外的推理时延。

作者通过实践发现，LoRA实际产生的最大的益处是节省内存和存储消耗，通过设置$r\ll d_{model}$能够将一个使用Adam训练的大型transformer的VRAM（即显存）占用最大减少$2/3$。具体而言，在GPT-3 175B上，VRAM消耗从1.2TB降低到350GB，在仅采用query和value矩阵映射矩阵的条件下，检查点的大小被降低了10000倍（从350GB到35MB）。假设我们需要100个转化模型，使用LoRA仅需保存$350GB+35MB\times 100\approx 354GB$大小的空间，而全量Finetuning则需要$100\times 350GB=350TB$的存储空间。这使得训练需要的GPU数量变少且减少了I/O瓶颈的次数，并且在任务间切换时，仅需在VRAM实时切换LoRA权重而不需要花费大量时间切换全量参数。除此之外，由于不需要计算大多数参数的梯度，训练速度也提升了25%。