论文笔记：Llama 2: Open Foundation and Fine-Tuned Chat Models

导语

Llama 2 是之前广受欢迎的开源大型语言模型 LLaMA 的新版本，该模型已公开发布，可用于研究和商业用途。本文记录了阅读该论文的一些关键笔记。

链接：https://arxiv.org/abs/2307.09288

1 引言

大型语言模型（LLMs）在多个领域表现出卓越的能力，尤其是在需要复杂推理和专业知识的任务中，例如编程和创意写作。LLMs通过直观的聊天界面与人类互动，导致了它们在公众中的快速普及。LLMs通常通过自回归式的Transformer在大量自监督数据上进行预训练，然后通过诸如人类反馈的强化学习（RLHF）等技术进行微调，使其更符合人类偏好。尽管训练方法相对简单，但高计算要求限制了LLMs的发展。已有公开发布的预训练LLMs在性能上可以与GPT-3和Chinchilla等闭源模型相媲美，但这些模型并不适合作为诸如ChatGPT、BARD、Claude这样的闭源“产品”LLMs的替代品。

本文开发并发布了Llama 2和Llama 2-Chat，以供研究和商业使用，这是一系列预训练和微调的LLMs，模型规模最大可达70亿参数。Llama 2-Chat在有用性和安全性方面的测试中普遍优于现有的开源模型，并且在人类评估中与一些闭源模型相当。本文还采取了提高模型安全性的措施，包括特定的数据注释和调整，红队测试，以及迭代评估。同时作者强调，虽然LLMs是一项新技术，可能带来潜在风险，但如果安全地进行，公开发布LLMs将对社会有益。作者提供了负责任使用指南和代码示例，以促进Llama 2和Llama 2-Chat的安全部署。

2 预训练

2.1 预训练数据

数据来源：训练数据来自公开可用的源，排除了来自 Meta 产品或服务的数据。
数据清洗：移除了已知包含大量个人信息的网站数据。
训练token数：训练了2万亿（2T）token的数据，以获得良好的性能和成本平衡。

2.2 训练细节

使用标准Transformer架构
使用RMSNorm而不是原始的LayerNorm
使用SwiGLU激活函数
相对于LLaMA的2k上下文长度，LLaMA2增加到了4k上下文长度
使用了Grouped-Query Attention (GQA)，而不是之前的MQA、MHA
使用了RoPE方式进行位置编码，使用旋转矩阵来编码位置信息，直接融合到自注意力的计算中

RMSNorm

原始的LayerNorm需要计算均值和方差，然后再进行归一化：

而RMSNorm（Root Mean Square Normalization）是LayerNorm的一种变体，其通过计算层中所有神经元输出的均方根（Root Mean Square）来归一化这些输出。这样可以减少不同层输出分布的差异，有助于加速训练并提高模型的稳定性。

SwiGLU

SwiGLU（Sigmoid-Weighted Linear Unit）是一种神经网络中的激活函数，它是 Gated Linear Unit (GLU) 的一种变体，由两部分组成：一个线性变换和一个 sigmoid 函数。输入先通过一个线性变换，然后用 sigmoid 函数的输出加权。

GQA

GQA则是介于Multi-query和Multi-head之间的一种中间形式，传统的Multi-head Self-attention中每个Head都有各自的Q，K，V；而Multi-Query Self-attention中，各个头之间共享一个K、V；而GQA则是介于两者之间，即对头进行分块，每块中的若干头使用同样的K，V。

2.3 Llama 2 预训练模型评估

本文对Llama 2 模型在一系列标准学术基准测试中的性能进行了报告。与其他模型相比，Llama 2 模型不仅超过了 Llama，还在多个分类基准上超过了其他开源模型和某些闭源模型。在长上下文（Long-context）数据集上效果比Llama提升显著。

3 微调

Llama 2-Chat 的开发涉及了多次迭代应用的对齐技术，包括指令调整和人类反馈的强化学习（RLHF）。这个过程需要大量的计算资源和注释工作。

3.1 监督式微调 (SFT)

初始步骤：使用公开可用的指令微调数据作为 SFT 的起点。
数据质量：重点放在收集高质量的 SFT 数据上，因为作者发现许多第三方数据质量和多样性不足。通过放弃第三方数据集中的数百万个示例，并使用基于供应商的标注工作中更少但质量更高的示例，结果显著提高。作者发现数万级别的 SFT 标注就足以达到高质量结果，本文收集了总共27,540个标注。
训练细节：训练时，prompt和答案拼接在一起，使用特殊的 token 来分开这两个部分。采用自回归损失并设置prompt不参与反向传播（即Prompt部分不计算loss）。

3.2 强化学习与人类反馈 (RLHF)

3.2.1 人类偏好数据收集

在 Llama 2-Chat 模型的 RLHF 过程中，首先进行了人类偏好数据的收集，这些数据用于后续的奖励建模，收集了超过一百万个基于人类指定指南的二元比较的大型数据集，这些数据的特点是对话轮次更多，平均长度更长：

二元比较：使用二元比较方法（即只需判断哪一个更好，不需要对各自进行打分）来收集偏好数据，主要是为了最大化收集的prompt的多样性。
标注过程：注释者首先编写提示，然后在两个模型响应中选择一个，同时标记他们对所选响应的偏好程度（significantly better, better, slightly better, or negligibly better/ unsure）。
注重有用性和安全性：在收集偏好数据时，重点放在模型响应的有用性和安全性上。
安全标签收集：在安全阶段，额外收集安全标签，将响应分为三个类别：安全、双方均安全、双方均不安全。
数据分布和奖励模型：每周收集偏好数据（即每次都使用本周最新的模型进行响应然后收集偏好数据）。因为没有充足的新偏好样本分布，会导致奖励模型效果退化。

3.2.2 奖励建模（Reward Modeling）

奖励模型将模型响应及其相应的提示(包括来自前一个回合的上下文)作为输入，并输出一个标量分数来指示模型生成的质量(例如，有用性和安全性)。利用这样的反应分数作为奖励，可以在RLHF期间优化Llama 2-Chat，以更好地调整人类的偏好，提高帮助和安全性。

之前的研究发现有用性和安全性存在一个Trade-off，为此本文训练了两个奖励模型分别单独考虑有用性和安全性。奖励模型和chat模型初始化于同样的预训练checkpoint，这样可以保证两个模型从同样的预训练中获得一样的知识。两个模型的结构和超参数都保持一致，只是替换了模型的分类头/回归头。

训练目标 采用二元排序损失（binary ranking loss）：

由于本文采用了4个不同的偏好等级（significantly better, better, slightly better, or negligibly better/ unsure），所以作者对原始的loss进行了一些修改，引入 $m (r)$ 代表偏好等级的离散函数（discrete function）。

数据组合 Helpfulness奖励模型最终在所有Meta Helpfulness数据上进行训练，并结合从Meta Safety和开源数据集中统一采样的同等部分剩余数据。Meta Safety奖励模型在所有Meta Safety和Anthropic无害数据上进行训练，并以90/10的比例混合Meta Helpfulness和开源有用数据。作者发现，10%有用数据的设置特别有利于样本的准确性，其中选择和拒绝的回答都被认为是安全的。

训练细节 对训练数据进行了一个epoch的训练（防止过拟合）。使用与基础模型相同的优化器参数。70B 参数 Llama 2-Chat 的最大学习率为 5 × 10^−6，其他模型为 1 × 10^−5。学习率根据余弦学习率策略逐渐减小。

奖励模型的结果 Llama 2-Chat 的奖励模型在内部测试集上表现最佳，尤其是在有用性和安全性测试集上。Llama 2-Chat 的奖励模型在准确率上优于所有基线模型，包括 GPT-4。而且，GPT-4 在没有针对性训练的情况下也表现出色。由于有用性和安全性之间可能存在张力，因此优化两个分开的模型（有用性和安全性）更为有效。

Scaling趋势 研究了奖励模型在数据量和模型大小方面的扩展趋势，这些模型使用了每周收集的奖励模型数据量逐渐增加。图6显示了预期的结果，即更大的模型对于相似的数据量能获得更高的性能。更重要的是，考虑到用于训练的现有数据注释量，扩展性能尚未达到平台期，这表明随着更多注释的增加，还有改进的空间。注意到，奖励模型的准确性是 Llama 2-Chat 最终性能的最重要代理之一。虽然全面评估生成模型的最佳实践仍是一个开放的研究问题，但奖励的排名任务没有歧义。因此，在其他条件相同的情况下，奖励模型的改进可以直接转化为 Llama 2-Chat 的改进。

3.2.3 迭代式微调（Iterative Fine-Tuning）

随着更多批次的人类偏好数据注释的收集，作者训练了连续版本的 RLHF 模型，在此称为 RLHF-V1、…、RLHF-V5。使用两种主要算法对 RLHF 进行了微调：

近端策略优化（Proximal Policy Optimization, PPO），这是 RLHF 文献中的标准算法。
拒绝采样微调（Rejection Sampling fine-tuning）。对模型中的 K 个输出进行采样，然后用奖励模型选出最佳候选，这里作者将所选输出用于梯度更新。对于每个提示，获得最高奖励分数的样本被视为新的gold label。

这两种 RL 算法的主要区别在于：

广度（Breadth）-- 在拒绝采样算法中，模型会针对给定的提示探索 K 个样本，而 PPO 算法只进行一次生成。
深度（Depth） - 在PPO算法中，第 t 步的训练过程中，样本是上一步梯度更新后第 t - 1 步更新模型策略的函数。拒绝采样微调会对模型初始策略下的所有输出进行采样，以收集新的数据集，然后再应用类似于 SFT 的微调。

在 RLHF（V4）之前，只使用了拒绝采样微调，而在此之后，将这两种算法依次结合起来。

3.3 多轮一致性的系统消息 (System Message for Multi-Turn Consistency)

Ghost Attention (GAtt)：提出了一种新技术 GAtt，帮助控制多轮对话中的对话流。
方法：GAtt 通过在微调数据中修改以帮助注意力集中在多阶段的对话上。

3.4 RLHF 结果

模型评估：使用基于模型的评估来选择每次迭代中表现最好的模型。
人类评估：通过人类评估来评价模型在有用性和安全性方面的表现。

4-6 安全性、讨论、相关工作

略

7 结论

本研究引入了 Llama 2，这是一个新的预训练和微调模型系列，参数量级为 70 亿到 700 亿。这些模型已经证明了它们与现有开源聊天模型的竞争力，并且在检查的评估集上与一些专有模型相当，尽管它们仍然落后于 GPT-4 等其他模型。本文细致地阐述了实现模型所采用的方法和技术，并着重强调了它们与有用性和安全性原则的一致性。为了对社会做出更大的贡献并促进研究的步伐，作者尽责地开放了“Llama 2”和“Llama 2-Chat”的访问权限。作为对透明度和安全性持续承诺的一部分，作者计划在今后的工作中进一步改进 Llama 2-Chat。