QLoRA论文概述

QLoRA论文概述

前言（省流版本）

微调需要大量显存资源。

之前工作的量化大都是在推理而非训练。

实验中发现数据的质量比数量重要。

评估采用人类和GPT-4相结合。

提出了三个技术方案实现单个GPU微调65B模型，达到和16位微调任务相同的性能

• 4-bit NormalFloat（NF4）量化：QLORA使用一种新的数据类型NF4，它在信息理论上最适合正态分布的权重，并在实践中优于4-bit整数和4-bit浮点数。
• 双量化：QLORA采用双量化方法，对量化常数进行第二次量化，从而减少每个参数的内存占用。
• 分页优化器：QLORA引入了分页优化器，在梯度检查点时防止内存溢出错误。这个方法使用NVIDIA统一内存特性，在CPU和GPU之间自动进行页面到页面的传输，以便在GPU内存不足时进行无错误的GPU处理。优化器状态分配分页内存，然后在GPU运行内存不足时自动逐出到CPU RAM，并在优化器更新步骤中重新分页到GPU内存。

摘要

我们提出了QLORA，这是一种有效的微调方法，它减少了内存使用，足以在单个48GB GPU上微调65B参数模型，同时保留完整的16位微调任务性能。

QLORA通过冻结的4位量化预训练语言模型将梯度反向传播到低秩适配器(Low Rank Adapters, LoRA)。我们最好的模型家族，我们命名为Guanaco，在Vicuna基准上优于之前所有公开发布的模型，达到ChatGPT性能水平的99.3%，而只需要在单个GPU上进行24小时的微调。

QLORA引入了许多创新来节省内存而不牺牲性能:(a) 4位NormalFloat (NF4)，这是一种新的数据类型，理论上对正态分布权重是最优的;(b)双量化，通过量化量化常量来减少平均内存占用;©分页优化器来管理内存峰值。

我们使用QLORA对1000多个模型进行了微调，提供了8个指令数据集、多种模型类型(LLaMA、T5)和常规微调无法运行的模型规模(例如33B和65B参数模型)上的指令跟随和聊天机器人性能的详细分析。

我们的结果表明，即使使用比以前的SoTA更小的模型，在小的高质量数据集上进行QLoRA微调也可以得到最先进的结果。我们提供了基于人类和GPT-4评估的聊天机器人性能的详细分析，表明GPT-4评估是人类评估的廉价和合理的替代方案。

此外，我们发现目前的聊天机器人基准并不值得信赖，无法准确评估聊天机器人的性能水平。一个柠檬分析显示了与ChatGPT相比，Guanaco失败的地方。我们发布了所有的模型和代码，包括用于4位训练的CUDA内核

论文十问

1. 论文试图解决什么问题？

这篇论文试图解决大规模语言模型微调(finetuning)所需的巨大GPU内存问题,以使这类模型能在单GPU上进行微调。

2. 这是否是一个新的问题？

是的,这是一个新的问题。以前的工作主要集中在推理时的量化,而没有研究过训练和微调过程中的量化。

3. 这篇文章要验证一个什么科学假设？

这篇论文的核心科学假设是4比特量化微调可以不损失性能地实现16比特完全微调的效果。

4. 有哪些相关研究？如何归类？谁是这一课题在领域内值得关注的研究员？

相关研究包括语言模型量化、低秩适配器微调等。值得关注的研究员有Tim Dettmers、Luke Zettlemoyer等。

5. 论文中提到的解决方案之关键是什么？

关键的解决方案是提出了4比特NormalFloat数据类型,以及双量化和分页优化器等技术。这些技术协同工作,实现了高精度的4比特量化。

6. 论文中的实验是如何设计的？

设计了不同模型结构、数据集和模型规模的比较实验,通过学术基准测试验验证了方法的有效性。

7. 用于定量评估的数据集是什么？代码有没有开源？

使用的数据集包括GLUE、Super-Natural Instructions等,代码已在GitHub上开源。

8. 论文中的实验及结果有没有很好地支持需要验证的科学假设？

是的,详细的实验结果充分验证了4比特量化微调能够不损失性能地实现16比特完全微调的效果这个核心科学假设。

9. 这篇论文到底有什么贡献？

这篇论文的主要贡献是首次证明了4比特量化微调的有效性,并在此基础上训练出新状态的聊天机器人模型。

10. 下一步呢？有什么工作可以继续深入？

后续可继续研究不同bit精度下的量化微调效果、在更大模型尺寸下的验证,以及在其他任务上的探索等。

实验

实验1

数据集和模型

GLUE、Super-Natural Instructions

RoBERTa-large 、T5

实验结论

我们的结果一致表明，具有NF4数据类型的4位QLORA在学术基准测试中具有良好的评估设置，与16位全调优和16位LoRA调优性能相匹配。我们还表明NF4比FP4更有效，双量化不会降低性能。综合起来，这形成了令人信服的证据，证明4位QLORA调优可靠地产生与16位方法相匹配的结果。

实验2

数据集和模型

MMLU:这是一个选择题基准，涵盖57个任务，包括小学数学、美国历史、计算机科学、法律等。

Alpaca、FLAN V2

实验结论

在Alpaca和FLAN v2上对不同数据类型的适配器进行微调后，LLaMA 7-65B模型的平均5次MMLU测试精度。总体而言，具有双量化(DQ)的NF4与BFloat16性能相当，而FP4始终比两者落后一个百分点。

局限性

模型尺度

在33B和65B模型尺度上，QLORA可能无法完全匹配16位全微调性能。这主要是由于资源成本巨大

数据集

虽然在MMLU、Vicuna基准和OA基准上进行了评估，但在BigBench、RAFT和HELM等其他基准上没有进行评估，因此无法确保评估结果推广到这些基准。

其他微调方法

除了LoRA之外，还有各种各样的参数有效微调(PEFT)方法没有参与到评估中。