LLaMA v1/2模型结构总览_llma模型结构

LLaMA v1/2模型结构总览

孟繁续

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目录

收起

结构

Group Query Attention(V2 only)

RMSNorm

SwiGLU

RoPE

llama2 出来了，并且开源可商用，这下开源社区又要变天了。快速看一下官网以及paper，看看llamav2相比v1有什么更新吧：

1. 预训练语料从1->2 Trillion tokens
2. context window 长度从2048->4096
3. 收集了100k人类标注数据进行SFT
4. 收集了1M人类偏好数据进行RLHF
5. 在reasoning, coding, proficiency, and knowledge tests上表现超越MPT和Falcon
6. 和falcon一样，使用了Group query attention，节省cache

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LLaMA现在已经是开源社区里炙手可热的模型了，但是原文中仅仅介绍了其和标准Transformer的差别，并没有一个全局的模型介绍。找了找其他博客也都是和原文一样，没有介绍模型的结构总览。因此打算写这篇文章，争取让读者不参考任何其他资料把LLaMA的模型搞懂。

结构

如图所示为LLaMA的示意图，由Attention和MLP层堆叠而成：

模型的主要特点为：

1. 前置的RMSNorm，
2. 在Q、K上使用RoPE旋转式位置编码，
3. 使用causal mask保证每个位置只能看到前面的tokens，
4. LLaMA可以将更早的K、V拼接到当前K、V前面，可以用Q查找更早的信息，为了清晰没在图中画出来。
5. MLP表达式： ，其中down, up, gate都是线性层。
6. V2 context window 4096，使用了Group Query Attention。

LLaMA各个不同大小的结构设置如下表所示。其中最大的65B的LLaMA用了2048张80GB的A100，batch size为4百万，训练一次需要21天。

Group Query Attention(V2 only)

自回归模型生成回答时，需要前面生成的KV缓存起来，来加速计算。多头注意力机制(MHA)需要的缓存量很大，Multi-Query Attention指出多个头之间可以共享KV对。Group Query Attention没有像MQA一样极端，将query分组，组内共享KV，效果接近MHA，速度上与MQA可比较。p.s. 这个技术falcon已经用上了，当时falcon说自己用的是multi query attention，因为当group=1时，GQA和MQA是等价的。falcon支持设置不同的G。

RMSNorm

这是在BERT、GPT等模型中广泛使用的LayerNorm：

RMSNorm(root mean square)发现LayerNorm的中心偏移没什么用(减去均值等操作)。将其去掉之后，效果几乎不变，但是速度提升了40%。最终公式为：

注意除了没有减均值，加偏置以外，分母上求的RMS而不是方差。

LLaMA在 Attention Layer和MLP的输入上使用了RMSNorm，相比在输出上使用，训练会更加稳定。

SwiGLU

LLaMA没有使用ReLU，而是使用了SwiGLU，有时也被称为SiLU。公式为： �������(�)∗� ，效果类似平滑版的ReLU：

RoPE

LLaMA使用了Rotary Position Embedding。对于Q的第m个位置向量q，通过以下方法注入位置编码：

�(�,�)=[�0�1...��/2−1��/2��/2+1...��−1]×[���(��0)���(��1)...���(���/2−1)���(��0)���(��1)...���(���/2−1)]+[−��/2−��/2+1...−��−1�0��1...��/2−1]×[���(��0)���(��1)...���(���/2−1)���(��0)���(��1)...���(���/2−1)]

其中 �是值介于[1,0)之间的固定向量。通过以下代码得到了上式中的第二项 ���(���) 和第四项 ���(���) 。

class LlamaRotaryEmbedding(torch.nn.Module):
    def __init__(self, dim, max_position_embeddings=2048, base=10000):
        super().__init__()
        theta = 1.0 / (base ** (torch.arange(0, dim, 2) / dim))
        t = torch.arange(max_position_mbeddings)
        freqs = torch.einsum("i,j->ij", t, theta)
 
        emb = torch.cat((freqs, freqs), dim=-1)
        self.register_buffer("cos_cached", emb.cos())
        self.register_buffer("sin_cached", emb.sin())
 
    def forward(self, seq_len=None):
        return self.cos_cached[:, :, :seq_len, ...], self.sin_cached[:, :, :seq_len, ...]
 
# 在LlamaAttention通过以下命令调用：
cos, sin = self.rotary_emb(seq_len=kv_seq_len)

以下代码将q沿着最后一个维度劈成两半，将后一半乘-1，然后连接在第一半之前，就得到了上式第三项。

# 在接下来的apply_rotary_pos_emb函数里调用
 
def rotate_half(x):
    x1 = x[..., : x.shape[-1] // 2]
    x2 = x[..., x.shape[-1] // 2 :]
    return torch.cat((-x2, x1), dim=-1)

最后通过以下代码得到结合了位置编码的Q,K(K和Q使用同样的方式进行位置编码)。

def apply_rotary_pos_emb(q, k, cos, sin, position_ids):
    q_embed = (q * cos[position_ids]) + (rotate_half(q) * sin[position_ids])
    k_embed = (k * cos[position_ids]) + (rotate_half(k) * sin[position_ids])
    return q_embed, k_embed
 
# 在LlamaAttention中通过以下命令调用：
query_states, key_states = apply_rotary_pos_emb(query_states, key_states, cos, sin, position_ids)

使用了这么复杂的位置编码，有什么好处呢？从上面的公式可以看出，RoPE形式上是绝对位置编码，即依赖其绝对位置m。

绝对位置编码的优点是计算速度快等，缺点是拓展长度比较麻烦，且绝对位置并没有什么实际意义。而相对位置编码对学习token之间的关系很有意义，比如距离的很远的两个token之间的关联大概率很小，使用相对位置编码往往能够获得更好的效果。此外拓展长度也更容易，因为不论context size多长，只需关注最长距离以内的输入即可。相对位置编码的缺点是没有绝对位置编码计算速度快。

当我们计算Attention时，RoPE可以变成相对位置编码。

����,�=��(�,�)×�(�,�)=(�0���(��0)−��/2���(��0))(�0���(��0)−��/2���(��0))+...+(��/2���(��0)+�0���(��0))(��/2���(��0)+�0���(��0))+...=�0�0(���(��0)���(��0)+���(��0)���(��0))+�0��/2(−���(��0)���(��0)+���(��0)���(��0))+��/2�0(−���(��0)���(��0)+���(��0)���(��0))+��/2��/2(���(��0)���(��0)+���(��0)���(��0))+...=�0�0���((�−�)�0)+�0��/2���((�−�)�0)+��/2�0���((�−�)�0)+��/2��/2���((�−�)�0)+...=[�0�0�1�1...��/2−1��/2−1��/2��/2��/2+1��/2+1...��−1��−1]�×[���((�−�)�0)���((�−�)�1)...���((�−�)��/2−1)���((�−�)�0)���((�−�)�1)...���((�−�)��/2−1)]+[−��/2�0−��/2+1�1...−��−1��/2−1�0��/2��1��/2+1...��/2−1��−1]�×[���((�−�)�0)���((�−�)�1)...���((�−�)��/2−1)���((�−�)�0)���((�−�)�1)...���((�−�)��/2−1)]

从上面这个公式可以看出，q和k的attention依赖相对距离m-n。因此RoPE为q、k注入的绝对位置编码，计算得到的attention，却变成了相对位置编码。妙的很，我这里为了不参考其他文章就很容易搞懂LLaMA的结构，简化了很多东西，推荐大家看一看RoPE原作者苏剑林的博客了解更多信息。

本文只关注LLaMA缺失的模型结构方面的介绍，对于文章的翻译可以参考其他的文章，例如靳伟：LLaMA大模型是如何炼成的，或者直接去看原文https://arxiv.org/pdf/2302.13971.pdf。文中参考的代码是huggingface的transformers库实现的版本，并不是Meta官方的代码。受笔者水平限制，如果哪里讲的不对，或者不够清晰易懂，欢迎在评论区与我交流。

编辑于 2023-08-30 09:16・IP 属地美国

LLM（大型语言模型）

llama

llama2