【LLM】金融大模型场景和大模型Lora微调实战

一、金融大模型背景

• 金融行业需要垂直领域LLM，因为存在金融安全和数据大多数存储在本地，在风控、精度、实时性有要求
• （1）500亿参数的BloombergGPT
  • BloombergGPT金融大模型也是用transformer架构，用decoder路线， 构建目前规模最大的金融数据集FINPILE，对通用文本+金融知识的混合训练。
  • 用了512块40GB的A100 GPU，训练中备份了4个模型，每个模型分了128块GPU。
• （2）度小满5月的【源轩大模型】
  • 使用hybrid-tuning方式，首个千亿参数金融大模型
  • 在通用能力评测中,轩辕有10.2%的任务表现超越ChatGPT 3.5, 61.22%的任务表现与之持平,涉及数学计算、场景写作、逻辑推理、文本摘要等13个主要维度。
• 金融大模型GPT落地场景：
  • 新闻情感分类 ——> 金融机构判断对某事件看法，辅助量化策略、投资决策
  • 财务类知识问答 ——> 辅助金融机构进行信用评估，筛选概念股，辅助分析师对专业领域的学习
  • 财务报表分析和会计稽查 ——> 生成财务分析报告和招股书，辅助会计和审计

二、大模型的研究问题

• LLM的理论基础：
  • 如Few/Zero-Shot Learning、In-Context Learning、Chain-of-Thought能力；
  • zero-shot是模型训练中没有接触过这个类别的样本，但仍能对没见过的类别进行分类；few-shot是每个类别中只有少量样本，希望模型学习一定类别的大量数据后，对于新类别的少量样本数据能快速学习。few-show是meta-learning的一种。
• 网络架构：transformer架构，括分词、归一化方法、归一化位置、位置编码、注意力与偏置等常见模块。是否有比transformer更好的架构，如有学者受到数学相关方向的启发，提出非欧空间Manifold网络框架。
• 大模型的高效计算：模型并行、tensor卸载、优化器卸载等，微软的deepspeed等工具
• 推理效率：模型剪枝、知识蒸馏、参数量化等
• 大模型的高效适配下游任务：
  • prompt learning提示学习：如指令微调
  • 参数高效微调：只调整大模型里的少量参数
• 大模型的可控生成：通过指令微调、提示工程、思维链、RLHF等控制模型生成
• 伦理问题：RLHF、RLAIF等对齐方法提高生成质量
• 模型评估：专业考题进行评测、更强的模型给小模型打分、人工评测等

三、大模型技术路线

• Hugging Face 的 PEFT是一个库（LoRA 是其支持的技术之一，除此之外还有Prefix Tuning、P-Tuning、Prompt Tuning），可以让你使用各种基于 Transformer 结构的语言模型进行高效微调。
• AIpaca羊驼：让 OpenAI 的 text-davinci-003 模型以 self-instruct 方式生成 52K 指令遵循（instruction-following）样本，以此作为 Alpaca 的训练数据，最后训练的羊驼只有7B参数量。可以使用LoRA微调优化。
• LLM技术思路：
  • 语言模型：llama、bloom、glm等
  • 指令微调数据：alpaca_data、bella_data、guanaco_data等。目前指令微调数据上，很依赖alpaca以及chatgpt的self-instruct数据。数据处理参考上图
  • 微调加速： lora（如Alpaca-Lora）等，还可以使用peft库、量化工具包bitsandbytes、deepspeed（先读torch.distributed和ColossalAI再搞）、llama.cpp量化模型。在LoRA方法提出之前，也有很多方法尝试解决大模型微调困境的方法。其中有两个主要的方向：
    • 添加adapter层。adapter就是固定原有的参数，并添加一些额外参数用于微调；
    • 由于某种形式的输入层激活。
• 训练优化方法：量化、3D并行、cpu卸载

四、LLaMA家族模型

五、Lora模型微调的原理

• prompt的本质是参数有效性学习（parameter-efficient learning, PEL），因为PLM全量参数更新训练耗时，而在参数有效性学习中，大模型只需指定或额外加入少量的可训练参数，冻结其他参数，提高训练效率和保证质量

• Lora低秩自适应，low-rank adaption，额外引入了可训练的低秩分解矩阵，同时固定预训练权重。通过反向传播学习分解的矩阵，将适应任务的新权重矩阵分解为低维（较小）矩阵，而不会丢失太多信息。
  • 可以将新的lora权重矩阵与原始预训练权重合并，在推理中不会产生额外的开销；如上图所示，左边是预训练模型的权重，输入输出维度都是d，在训练时被冻结参数，右边对A使用随机的高斯初始化，B在训练初始为0。一个预训练的权重矩阵，使用低秩分解来表示，初始时△W=BA：$$h=W_{0}x+\Delta Wx=W_{0}x+BAx$$
  • LoRA原理：即在大型语言模型上对指定参数增加额外的低秩矩阵，并在模型训练过程中，仅训练而外增加的参数。当“秩值”远小于原始参数维度时，新增的低秩矩阵参数量很小，达到仅训练很小的参数，就能获取相应结果。
  • 冻结预训练模型权重，并将可训练的秩分解矩阵注入到Transformer层的每个权重中，大大减少了下游任务的可训练参数数量。实际上是增加了右侧的“旁支”，也就是先用一个Linear层A，将数据从 d维降到r，再用第二个Linear层B，将数据从r变回d维。最后再将左右两部分的结果相加融合，得到输出的hidden_state。
• 评价LLM生成文本的指标：困惑度、BLEU 和 ROUGE等

• Alpaca-Lora：基于LLaMA(7B)微调
  项目链接：https://github.com/tloen/alpaca-lora
  权重地址：https://huggingface.co/decapoda-research/llama-7b-hf
  • 项目诞生原因：Stanford Alpaca羊驼 是在 LLaMA 整个模型上微调，即对预训练模型中的所有参数都进行微调（full fine-tuning）。但该方法对于硬件成本要求仍然偏高且训练低效。LLaMA没有经过指令微调，生成效果较差
• 因此，Alpaca-Lora：利用 Lora 技术，在冻结原模型 LLaMA 参数的情况下，通过往模型中加入额外的网络层，并只训练这些新增的网络层参数。由于这些新增参数数量较少，这样不仅微调的成本显著下降（使用一块 RTX 4090 显卡，只用 5 个小时就训练了一个与 Alpaca 水平相当的模型，将这类模型对算力的需求降到了消费级），还能获得和全模型微调（full fine-tuning）类似的效果。
  • 将LLaMA原始转钟转为transformers库对应的模型文件格式（也可以直接从huggingface上下载转好的模型，参考）
  • 用LoRA(Low-rank Adaptation)微调模型、模型推理
  • 将 LoRA 权重合并回基础模型以导出为 HuggingFace 格式和 PyTorch state_dicts。以帮助想要在 llama.cpp 或 alpaca.cpp 等项目中运行推理的用户

六、基于mt0-large进行Lora微调实战

• 下面以mt0-large模型进行lora为例：
• 选用金融领域情感分析任务financial_sentiment_analysis，给定一个句子，要求识别出该句子是negative、positive还是neutral三个中的哪一个

next(iter(train_dataloader)).keys()
Out[2]: dict_keys(['input_ids', 'attention_mask', 'labels'])

# train_dataset.data如下所示
input_ids: [[[486,7834,304,259,35610,...,0,0,0,0,0],[259,229832,259,277,263,...,0,0,0,0,0],...,[259,96890,259,5330,259,...,0,0,0,0,0],[486,5835,259,39509,259,...,0,0,0,0,0]],[[1494,1546,259,69541,259,...,0,0,0,0,0],[486,7495,13159,339,2847,...,0,0,0,0,0],...,[20871,72726,702,92223,332,...,0,0,0,0,0],[486,584,193394,347,11470,...,0,0,0,0,0]],[[274,298,259,62434,263,...,0,0,0,0,0],[1477,514,1904,259,263,...,0,0,0,0,0],...,[143129,268,259,277,263,...,0,0,0,0,0],[35446,339,31499,285,288,...,0,0,0,0,0]]]
attention_mask: [[[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],...,[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0]],[[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],...,[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0]],[[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],...,[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0],[1,1,1,1,1,...,0,0,0,0,0]]]
labels: [[[59006,1,-100],[59006,1,-100],...,[59006,1,-100],[59006,1,-100]],[[18205,1,-100],[59006,1,-100],...,[259,32588,1],[18205,1,-100]],[[59006,1,-100],[59006,1,-100],...,[59006,1,-100],[59006,1,-100]]]

• 下面借助peft库（Parameter-Efficient Fine-Tuning）进行微调，支持如下tuning：
  • Adapter Tuning（固定原预训练模型的参数 只对新增的adapter进行微调）
  • Prefix Tuning（在输入token前构造一段任务相关的virtual tokens作为prefix，训练时只更新Prefix不分的参数，而Transformer的其他不分参数固定，和构造prompt类似，只是prompt是人为构造的即无法在模型训练时更新参数，而Prefix可以学习<隐式>的prompt）
  • Prompt Tuning（Prefix Tuning的简化版，只在输入层加入prompt tokens，并不需要加入MLP）
  • P-tuning（将prompt转为可学习的embedding层，v2则加入了prompts tokens作为输入）
  • LoRA（Low-Rank Adaption，为了解决adapter增加模型深度而增加模型推理时间、上面几种tuning中prompt较难训练，减少模型的可用序列长度）
    • 该方法可以在推理时直接用训练好的AB两个矩阵和原预训练模型的参数相加，相加结果替换原预训练模型参数。
    • 相当于用LoRA模拟full-tunetune过程

# !/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@Author    : guomiansheng
@Software  : Pycharm
@Contact   : [email protected]
@File      : main.py
"""
from transformers import AutoModelForSeq2SeqLM
from peft import get_peft_config, get_peft_model, get_peft_model_state_dict, LoraConfig, TaskType
import torch
from datasets import load_dataset
import os
os.environ["TOKENIZERS_PARALLELISM"] = "false"
from transformers import AutoTokenizer
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import default_data_collator, get_linear_schedule_with_warmup
from tqdm import tqdm
from datasets import load_dataset


def train_model():
    # device = "cuda"
    device = "mps"
    model_name_or_path = "bigscience/mt0-large"
    tokenizer_name_or_path = "bigscience/mt0-large"
    checkpoint_name = "financial_sentiment_analysis_lora_v1.pt"
    text_column = "sentence"
    label_column = "text_label"
    max_length = 128
    lr = 1e-3
    num_epochs = 3
    batch_size = 8

    # 搭建model
    peft_config = LoraConfig(task_type=TaskType.SEQ_2_SEQ_LM, inference_mode=False, r=8, lora_alpha=32,
                             lora_dropout=0.1)
    model = AutoModelForSeq2SeqLM.from_pretrained(model_name_or_path)
    model = get_peft_model(model, peft_config)
    model.print_trainable_parameters()

    # 加载数据
    dataset = load_dataset("financial_phrasebank", "sentences_allagree")
    dataset = dataset["train"].train_test_split(test_size=0.1)
    dataset["validation"] = dataset["test"]
    del dataset["test"]

    classes = dataset["train"].features["label"].names
    dataset = dataset.map(
        lambda x: {"text_label": [classes[label] for label in x["label"]]},
        batched=True,
        num_proc=1,
    )

    # 训练数据预处理
    tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name_or_path)

    def preprocess_function(examples):
        inputs = examples[text_column]
        targets = examples[label_column]
        model_inputs = tokenizer(inputs, max_length=max_length, padding="max_length", truncation=True,
                                 return_tensors="pt")
        labels = tokenizer(targets, max_length=3, padding="max_length", truncation=True, return_tensors="pt")
        labels = labels["input_ids"]
        labels[labels == tokenizer.pad_token_id] = -100
        model_inputs["labels"] = labels
        return model_inputs


    processed_datasets = dataset.map(
        preprocess_function,
        batched=True,
        num_proc=1,
        remove_columns=dataset["train"].column_names,
        load_from_cache_file=False,
        desc="Running tokenizer on dataset",
    )

    train_dataset = processed_datasets["train"]
    eval_dataset = processed_datasets["validation"]

    train_dataloader = DataLoader(
        train_dataset, shuffle=True, collate_fn=default_data_collator, batch_size=batch_size, pin_memory=True
    )
    eval_dataloader = DataLoader(eval_dataset, collate_fn=default_data_collator, batch_size=batch_size, pin_memory=True)

    # 设定优化器和正则项
    optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=lr)
    lr_scheduler = get_linear_schedule_with_warmup(
        optimizer=optimizer,
        num_warmup_steps=0,
        num_training_steps=(len(train_dataloader) * num_epochs),
    )

    # 训练和评估
    model = model.to(device)

    for epoch in range(num_epochs):
        model.train()
        total_loss = 0
        for step, batch in enumerate(tqdm(train_dataloader)):
            batch = {k: v.to(device) for k, v in batch.items()}
            outputs = model(**batch)
            loss = outputs.loss
            total_loss += loss.detach().float()
            loss.backward()
            optimizer.step()
            lr_scheduler.step()
            optimizer.zero_grad()

        model.eval()
        eval_loss = 0
        eval_preds = []
        for step, batch in enumerate(tqdm(eval_dataloader)):
            batch = {k: v.to(device) for k, v in batch.items()}
            with torch.no_grad():
                outputs = model(**batch)
            loss = outputs.loss
            eval_loss += loss.detach().float()
            eval_preds.extend(
                tokenizer.batch_decode(torch.argmax(outputs.logits, -1).detach().cpu().numpy(),
                                       skip_special_tokens=True)
            )

        eval_epoch_loss = eval_loss / len(eval_dataloader)
        eval_ppl = torch.exp(eval_epoch_loss)
        train_epoch_loss = total_loss / len(train_dataloader)
        train_ppl = torch.exp(train_epoch_loss)
        print(f"{epoch=}: {train_ppl=} {train_epoch_loss=} {eval_ppl=} {eval_epoch_loss=}")

    # 保存模型
    peft_model_id = f"{model_name_or_path}_{peft_config.peft_type}_{peft_config.task_type}"
    model.save_pretrained(peft_model_id)



def inference_model():
    # device = "cuda"
    device = "mps"
    model_name_or_path = "bigscience/mt0-large"
    tokenizer_name_or_path = "bigscience/mt0-large"
    checkpoint_name = "financial_sentiment_analysis_lora_v1.pt"
    text_column = "sentence"
    label_column = "text_label"
    max_length = 128
    lr = 1e-3
    num_epochs = 3
    batch_size = 8

    # 搭建model
    peft_config = LoraConfig(task_type=TaskType.SEQ_2_SEQ_LM, inference_mode=False, r=8, lora_alpha=32,
                             lora_dropout=0.1)
    model = AutoModelForSeq2SeqLM.from_pretrained(model_name_or_path)
    model = get_peft_model(model, peft_config)
    model.print_trainable_parameters()

    # 加载数据
    dataset = load_dataset("financial_phrasebank", "sentences_allagree")
    dataset = dataset["train"].train_test_split(test_size=0.1)
    dataset["validation"] = dataset["test"]
    del dataset["test"]

    classes = dataset["train"].features["label"].names
    dataset = dataset.map(
        lambda x: {"text_label": [classes[label] for label in x["label"]]},
        batched=True,
        num_proc=1,
    )

    # 训练数据预处理
    tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name_or_path)

    def preprocess_function(examples):
        inputs = examples[text_column]
        targets = examples[label_column]
        model_inputs = tokenizer(inputs, max_length=max_length, padding="max_length", truncation=True,
                                 return_tensors="pt")
        labels = tokenizer(targets, max_length=3, padding="max_length", truncation=True, return_tensors="pt")
        labels = labels["input_ids"]
        labels[labels == tokenizer.pad_token_id] = -100
        model_inputs["labels"] = labels
        return model_inputs


    processed_datasets = dataset.map(
        preprocess_function,
        batched=True,
        num_proc=1,
        remove_columns=dataset["train"].column_names,
        load_from_cache_file=False,
        desc="Running tokenizer on dataset",
    )

    train_dataset = processed_datasets["train"]
    eval_dataset = processed_datasets["validation"]

    train_dataloader = DataLoader(
        train_dataset, shuffle=True, collate_fn=default_data_collator, batch_size=batch_size, pin_memory=True
    )
    eval_dataloader = DataLoader(eval_dataset, collate_fn=default_data_collator, batch_size=batch_size, pin_memory=True)

    # 设定优化器和正则项
    optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=lr)
    lr_scheduler = get_linear_schedule_with_warmup(
        optimizer=optimizer,
        num_warmup_steps=0,
        num_training_steps=(len(train_dataloader) * num_epochs),
    )

    # 训练和评估
    model = model.to(device)

    # 模型推理预测
    from peft import PeftModel, PeftConfig

    peft_model_id = f"{model_name_or_path}_{peft_config.peft_type}_{peft_config.task_type}"
    config = PeftConfig.from_pretrained(peft_model_id)
    model = AutoModelForSeq2SeqLM.from_pretrained(config.base_model_name_or_path)
    model = PeftModel.from_pretrained(model, peft_model_id)
    model.eval()

    i = 0
    inputs = tokenizer(dataset["validation"][text_column][i], return_tensors="pt")
    print(dataset["validation"][text_column][i])
    print(inputs)
    with torch.no_grad():
        outputs = model.generate(input_ids=inputs["input_ids"], max_new_tokens=10)
        print(outputs)
        print(tokenizer.batch_decode(outputs.detach().cpu().numpy(), skip_special_tokens=True))
    print("=============test=============")



if __name__ == '__main__':
    # train_model()
    inference_model()

可以看到上面的LoraConfig参数如下：

peft_config = LoraConfig(task_type=TaskType.SEQ_2_SEQ_LM,
                         inference_mode=False,
                         r=8,
                         lora_alpha=32,
                         lora_dropout=0.1)

• task_type
• inference_mode：
• r：lora的秩；lora_A用高斯分布初始化，lora_B用0初始化
• lora_alpha：lora微调的缩放系数
• lora_dropout：lora微调的dropout系数
• learning_rate：adamw优化器的初始学习速率

也可以看LoraConfig源码：

class LoraConfig(PeftConfig):
    r: int = field(default=8, metadata={"help": "Lora attention dimension"})
    target_modules: Optional[Union[List[str], str]] = field(
        default=None,
        metadata={
            "help": "List of module names or regex expression of the module names to replace with Lora."
            "For example, ['q', 'v'] or '.*decoder.*(SelfAttention|EncDecAttention).*(q|v)$' "
        },
    )
    lora_alpha: int = field(default=None, metadata={"help": "Lora alpha"})
    lora_dropout: float = field(default=None, metadata={"help": "Lora dropout"})
    fan_in_fan_out: bool = field(
        default=False,
        metadata={"help": "Set this to True if the layer to replace stores weight like (fan_in, fan_out)"},
    )
    bias: str = field(default="none", metadata={"help": "Bias type for Lora. Can be 'none', 'all' or 'lora_only'"})
    modules_to_save: Optional[List[str]] = field(
        default=None,
        metadata={
            "help": "List of modules apart from LoRA layers to be set as trainable and saved in the final checkpoint. "
            "For example, in Sequence Classification or Token Classification tasks, "
            "the final layer `classifier/score` are randomly initialized and as such need to be trainable and saved."
        },
    )
    init_lora_weights: bool = field(
        default=True,
        metadata={"help": "Whether to initialize the weights of the Lora layers."},
    )

    def __post_init__(self):
        self.peft_type = PeftType.LORA

• r (int): Lora attention dimension.
• target_modules (Union[List[str],str]): The names of the modules to apply Lora to.
• lora_alpha (float): The alpha parameter for Lora scaling.
• lora_dropout (float): The dropout probability for Lora layers.
• fan_in_fan_out (bool): Set this to True if the layer to replace stores weight like (fan_in, fan_out).
  • For example, gpt-2 uses Conv1D which stores weights like (fan_in, fan_out) and hence this should be set to True.:
• bias (str): Bias type for Lora. Can be ‘none’, ‘all’ or ‘lora_only’
• modules_to_save (List[str]):List of modules apart from LoRA layers to be set as trainable
  and saved in the final checkpoint.

Reference

[1] A Survey of Large Language Models. Wayne Xin Zhao
[2] 大模型论文综述介绍
[3] LLaMA类模型没那么难，LoRA将模型微调缩减到几小时
[4] RLHF中的PPO算法原理及其实现
[5] 基于DeepSpeed训练ChatGPT
[6] Prompt-Tuning——深度解读一种新的微调范式
[7] 大模型参数高效微调技术原理综述（七）-最佳实践、总结
[8] chatGLM2-6B模型的全参数微调（改进多轮对话交互质量等）：https://github.com/SpongebBob/Finetune-ChatGLM2-6B
[9] 大模型微调样本构造的trick
[10] 大模型参数高效微调技术原理综述（一）-背景、参数高效微调简介（附全量参数微调与参数高效微调对比-表格）
[11] 大模型训练之微调篇.无数据不智能
[12] 理解金融报告：使用大模型.无数据不智能
[13] Scaling Down to Scale Up: A Guide to Parameter-Efficient Fine-Tuning
[14] 低资源微调大模型：LoRA模型思想与BLOOM-LORA代码实现分析
[15] 模型和指令微调方法.山顶夕景
[16] 详谈大模型训练和推理优化技术
[17] LLM+LoRa微调加速技术原理及基于PEFT的动手实践：一些思考和mt0-large+lora完整案例
[18] 再看大模型Lora微调加速是否有效：Full-Parameter全参数微调与LoRA低秩微调的性能对比开源实验介绍
[19] 微调范式对比Freeze、P-Tuning、Lora、full-Finetune开源实现
[20] 基于GLM-6B对话模型的实体属性抽取项目实现解析：对Zero-shot与In-Context Learning的若干思考
[21] 微调实战：DeepSpeed+Transformers实现简单快捷上手百亿参数模型微调
[22] LLaMA：小参数+大数据的开放、高效基础语言模型阅读笔记
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[29] The Power of Scale for Parameter-Efficient Prompt Tuning
[30] https://github.com/mymusise/ChatGLM-Tuning
一种平价的 Chatgpt 实现方案，基于清华的ChatGLM-6B+ LoRA 进行finetune
[31] https://github.com/jxhe/unify-parameter-efficient-tuning
[31] 简单分析LoRA方法
[32] financial_phrasebank dataset.huggingface
[33] GPT大语言模型Alpaca-lora本地化部署实践.某东技术