论文阅读之LORA: LOW-RANK ADAPTATION OF LARGE LAN- GUAGE MODELS（2021）

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LORA: LOW-RANK ADAPTATION OF LARGE LAN-
GUAGE MODELS

主要内容

这篇文章的主要内容是介绍了一种名为LoRA（Low-Rank Adaptation）的技术，这是一种针对大型语言模型进行低秩适应的方法。LoRA的核心思想是在预训练模型的基础上，通过注入可训练的低秩分解矩阵到Transformer架构的每一层，而不是对所有模型参数进行微调（fine-tuning），从而大幅减少下游任务的可训练参数数量。这种方法在保持预训练权重不变的情况下，通过优化低秩矩阵来间接训练密集层的权重更新。

文章通过实验表明，LoRA在多个NLP任务上的表现与完全微调相当，甚至在某些情况下更优。LoRA的主要优势包括：

显著减少了可训练参数的数量，例如，与GPT-3 175B微调相比，LoRA可以将可训练参数减少10,000倍。
降低了GPU内存需求，提高了训练效率。
由于LoRA的简单线性设计，可以在部署时将训练矩阵与冻结权重合并，从而不会引入额外的推理延迟。
LoRA与许多现有方法正交，可以与它们结合使用，例如前缀微调（prefix-tuning）。
此外，文章还提供了对LoRA的实证研究，探讨了在语言模型适应中秩不足性的作用，并解释了LoRA的有效性。作者还发布了一个包，方便将LoRA与PyTorch模型集成，并提供了RoBERTa、DeBERTa和GPT-2的实现和模型检查点。

主要贡献

文章的主要贡献可以总结为以下几点：

1.LoRA方法的提出：文章提出了一种新的低秩适应（Low-Rank Adaptation, LoRA）方法，用于在不重新训练所有参数的情况下，对大型预训练语言模型进行有效适应。这种方法通过在Transformer架构的每一层注入可训练的低秩矩阵来实现，从而大幅减少了下游任务的可训练参数数量。

2.显著降低参数数量和内存需求：LoRA能够将可训练参数的数量减少10,000倍，同时将GPU内存需求降低3倍，这使得在资源受限的环境中部署和使用大型模型变得更加可行。

3.保持或提升模型性能：尽管LoRA减少了可训练参数的数量，但它在多个NLP任务上的性能与完全微调相当或更好，这表明LoRA是一种高效的模型适应方法。

4.无额外推理延迟：LoRA的设计允许在部署时将训练矩阵与冻结权重合并，这意味着在推理时不会引入额外的计算延迟，这与完全微调的模型相比是一个显著优势。

5.与现有技术的兼容性：LoRA可以与许多现有的模型适应技术结合使用，如前缀微调（prefix-tuning），这增加了LoRA的灵活性和实用性。

6.实证研究：文章提供了对LoRA方法的实证研究，探讨了在语言模型适应中秩不足性的作用，并解释了LoRA的有效性。

7.资源和工具的发布：作者发布了一个包，方便将LoRA与PyTorch模型集成，并提供了RoBERTa、DeBERTa和GPT-2的实现和模型检查点，这为研究社区提供了宝贵的资源。

总的来说，文章的主要贡献在于提出了一种新的、高效的大型语言模型适应方法，这种方法在减少资源消耗的同时，保持了模型的性能，并且易于与现有技术结合使用。

模型图

言简意赅
左边预训练模型权重不动
只训练右边的A和B

技术细节

假设预训练模型要进行常规全参数微调

其中Φ表示模型的参数，x表示输入，y表示输出

表示进行微调任务的数据集
此时我们需要调整的参数就是全参数：

如果是175B的模型，微调一个下游任务的模型，每次都要调整这么多参数，工作量巨大。

但是使用LoRA技术的话

预训练模型的参数都冻结，不调整
只是额外加一组小小的参数
也能做到和下游任务适配

而此时需要调整的参数远远小于预训练模型的参数

也就是说此时需要调整的参数很小。

文章主要聚焦于将LoRA在transformer注意力机制上进行使用，因为这也是transformer的精髓

分别用于表示四个线性层的参数。

用于表示预训练模型的参数

是自适应过程中的累积梯度更新
r就是低秩矩阵的秩

例如我们在
W上加个LoRA

假设W₀为512*512
就单单只看这部分的话
全参数微调需要调整512*512 = 262144个参数
使用LoRA后，这262144个参数就冻结了
此时增加两个低秩矩阵 例如512*2和2*512
那么此时需要调整的参数大小就为512*2+2*512 = 2048个参数
2048 / 262144 = 0.0078125
此时要训练的参数就减少了许多

而且，当我们面对不同的下游任务时，因为原本的预训练模型是冻结的，所以预训练模型用一个就行，只需要保存的参数就是加入的低秩矩阵，这样的话，也能节省大量的存储空间。

可以看个伪代码：

class LowRankMatrix(nn.Module):def __init__(self, weight_matrix, rank, alpha=1.0):super(LowRankMatrix, self).__init__()self.weight_matrix = weight_matrixself.rank = rankself.alpha = alpha / rank  # 将缩放因子与秩相关联# 初始化低秩矩阵A和Bself.A = nn.Parameter(torch.randn(weight_matrix.size(0), rank), requires_grad=True)self.B = nn.Parameter(torch.randn(rank, weight_matrix.size(1)), requires_grad=True)def forward(self, x):# 计算低秩矩阵的乘积并添加到原始权重上# 应用缩放因子updated_weight = self.weight_matrix + self.alpha * torch.mm(self.B.t(), self.A)return updated_weight

α和r用于缩放矩阵，帮助更好的训练

A矩阵使用随机高斯初始化
B矩阵初始化为0

实验结果

LoRA相较于Adapter不会显著增加推理的时间。

LoRA效果好

LoRA一起用到Wq和Wv效果比较好

低秩已足够

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