ChatGLM学习

• GLM paper：https://arxiv.org/pdf/2103.10360.pdf
• chatglm 130B：https://arxiv.org/pdf/2210.02414.pdf

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前置知识补充

双流自注意力

Two-stream self-attention mechanism（双流自注意机制）是一种用于自然语言处理任务的注意力机制。它是基于自注意力机制（self-attention）的扩展，通过引入两个独立的注意力流来处理不同类型的信息。

• 在传统的自注意力机制中，输入序列中的每个位置都会计算一个注意力权重，用于对其他位置的信息进行加权聚合。而在双流自注意力机制中，会引入两个注意力流，分别用于处理不同类型的信息。

• 双流自注意力，一个注意力流用于处理位置信息（position-based），另一个注意力流用于处理内容信息（content-based）。位置信息可以帮助模型捕捉序列中的顺序和结构，而内容信息可以帮助模型理解不同位置的语义关联。

  • 具体来说，双流自注意力机制会为每个注意力流维护一个独立的注意力矩阵，用于计算注意力权重。然后，通过将两个注意力流的输出进行加权融合，得到最终的注意力表示。
  • 通过引入两个注意力流，双流自注意力机制可以更好地捕捉不同类型信息之间的关系，提高模型在语义理解和推理任务中的性能。它在机器翻译、文本分类、问答系统等任务中都有应用，并取得了一定的效果提升。

Transformer修改

1. 层归一化是一种归一化技术，用于在网络的每一层对输入进行归一化处理。它可以帮助网络更好地处理梯度消失和梯度爆炸问题，提高模型的训练效果和泛化能力。

2. 残差链接是一种跳跃连接技术，通过将输入直接添加到网络的输出中，使得网络可以学习残差信息。这有助于网络更好地传递梯度和学习深层特征，提高模型的训练效果和收敛速度。

在一般情况下，层归一化应该在残差链接之前应用。这是因为层归一化对输入进行归一化处理，而残差链接需要将输入直接添加到网络的输出中。如果将残差链接放在层归一化之前，会导致输入的归一化被破坏，从而影响模型的训练和性能。

3. 激活函数的修改：GeLU，SwishGLU

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MLM：MaskLM任务具有条件独立性假设，预测每个mask的时候是并行的，没有考虑mask之间的关系
Mask：一个单词一个mask，mask可以知道长度信息
Span：几个单词（或者更多个）一起mask掉，span不知道长度信息

把标签映射成词语，进行分类：

• 标成mask，放在最后一个位置，X和Y可以形成一个流畅的语句，接近于自然语言

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模型概述

• Decoder Only（GPT）：Decoder单向注意力，擅长生成任务，但没有捕获上下文信息，不擅长NLU任务；核心任务是Next Token Predict（自回归填充）
• Encoder Only（Bert）：encoder双向注意力，擅长提取文本表征做NLU任务，但没有Decoder不擅长生成任务；核心任务是MLM
• Encoder-Decoder（T5）：Encoder双向注意力，Decoder单向注意力，以上二者的中和，擅长NLU和条件生成任务；核心任务是输入文本，输出文本（mask和非mask互换预测）
• UniLM：
  
  

于是GLM打算博采众长，集成上面的三个核心任务，并做出改进：

1. span shuffling
2. 2D positional encoding

GLM模型基本原理

预训练任务1: Autoregressive Blank Infilling

Mask的token方面：

1. 一个句子随机抽连续的几个token出来，用一个Span盖住，再把Span随机打乱（为了充分捕捉不同Span之间的相互依赖关系，我们随机排列跨度的顺序，类似于排列语言模型）

Mask的注意力方面：

• 被mask的部分：

  1. 单向注意力（只能前面预测后面）
  2. 不参与预测没有被Mask的部分

• 没有被Mask的部分：

  1. 双向注意力（前后双向预测）

• 有两点很关键：前面的Span会参与后面的Span的预测中，考虑了Span和Span之间的关系

• Span内部的长度未知
  

• A是原始序列，B是被Span的序列

• A上是双向注意力（Encoder），B上单向注意力（Decoder）

预训练任务2:多任务学习

• Document level （Span的长度为文章长度的50%-100%）
• Sentence level：一整句的长度

2D Positional Encoding

• 第一个位置编码上表示被Span的原始文本
• 第二个位置编码表示Span内部的文本

归一化

• 使用DeepNet的Post-LN

在GLM-130B中，我们决定使用Post-LN，并使用新提出的DeepNorm来克服不稳定性。DeepNorm的重点是改进初始化，可以帮助Post-LN变换器扩展到1000层以上。在我们的初步实验中，模型扩展到130B，Sandwich-LN的梯度在大约2.5k步时就会出现损失突变（导致损失发散），而带有DeepNorm的Post-Ln则保持健康并呈现出较小的梯度大小（即更稳定）

门控单元

• 采用GeGLU，比GAU稳定，比GLU效果好

• 三个投影矩阵，隐藏层维度降低了2/3
  
  

梯度缩减

• BLOOM汇报了使用嵌入归一化（我们也发现它能稳定训练），但同时，其牺牲了相对较大的下游性能。

word_embedding = word_embedding * α + word_embedding.detach() * (1 - α)
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ChatGLM2

在GLM一代的版本上做了如下优化

1. 更强大的性能：ChatGLM2-6B 使用了 GLM 的混合目标函数，经过了 1.4T 中英标识符的预训练与人类偏好对齐训练。

2. 更长的上下文：基于 FlashAttention 技术，我们将基座模型的上下文长度（Context Length）由 ChatGLM-6B 的 2K 扩展到了 32K，并在对话阶段使用 8K 的上下文长度训练，允许更多轮次的对话。

   • 但当前版本的 ChatGLM2-6B 对单轮超长文档的理解能力有限，我们会在后续迭代升级中着重进行优化。

3. 更高效的推理：基于 Multi-Query Attention 技术，ChatGLM2-6B 有更高效的推理速度和更低的显存占用：在官方的模型实现下，推理速度相比初代提升了 42%

   • INT4 量化下，6G 显存支持的对话长度由 1K 提升到了 8K。

ChatGLM3

工具调用

• Name, Description, Parameters:「type，限制条件」, Required: 「需要返回的类型」
  
  2）置于history上下文，送入模型进行问答
  
  3）调用工具执行接口，完成查询
  
  4）将输出结果送入模型进行回答

• role="observation"表示输入的是工具调用的返回值而不是用户输入，不能省略。

2、全新设计的Prompt格式

• 更改prompt格式的初衷在于为了避免用户输入的注入攻击，以及统一Code Interpreter，Tool&Agent等任务的输入，采用了全新的对话格式。

<|system|>：系统信息，设计上可穿插于对话中，但目前规定仅可以出现在开头
<|user|>：用户
不会连续出现多个来自 <|user|> 的信息
<|assistant|>：AI 助手
在出现之前必须有一个来自 <|user|> 的信息
<|observation|>：外部的返回结果
必须在 <|assistant|> 的信息之后
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垂直领域微调

• 数据构造方式

• Prompt数据集
  
• 使用GPT4进行构造数据：

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GLM130B

1）架构选择
通用语言模型GLM
组件改进：旋转位置编码、DeepNorm、GeGLU
2）工程实现
并行策略：数据、张量、流水线3D并行
多平台高效适配
3）训练策略改进
梯度爆炸的问题，采用了嵌入层梯度缩减策略
解决注意力数值溢出问题，采用了FP32的softmax计算策略，训练稳定性有提升

GLM是一种基于Transformer的语言模型，它以自回归空白填充为训练目标。

对于一个文本序列$x=[x1,\cdot \cdot \cdot ,xn]$，从其中采样文本span{s1，· · ·，sm}，其中每个si表示连续令牌的跨度，并用单个掩码替换si，要求模型对它们进行自回归恢复。

与GPT类模型不同的是，它在不Mask的位置使用双向注意力，因此它混合了两种Mask，以支持理解和生成：

[MASK]：句子中的短空白，长度加总到输入的某一部分

[MASK]根据泊松分布 (λ=3)对输入中标识符进行短跨度的采样，主要服务对文本的理解能力目标

• 将长度相加达到输入的一定部分的句子中的短空白填充。

[gMASK]：随机长度的长空白，加在提供前缀上下文的句子末尾

掩盖一个长的跨度，从其位置到整个文本的结束，主要服务对文本的生成目标能力目标。

• 在提供前缀上下文的句子末尾填充随机长度的长空白。

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关于LN：
pre-LN（数百亿，混合多模态也不稳定），post-LN（容易发散），SandWish-LN 都在GLM上表现不稳定，所以采用了DeepNorm
$DeepLayer(x)=LayerNorm(\alpha \ast x+Network(x))$

关于编码：
1）当序列长度增长时，RoPE的实现速度更快。
2）RoPE对双向注意力更友好，在下游微调实验中效果更好

关于mask：

• 【mask】30% 的training token，占总输入的15%
• 对于其他70%的标记，每个序列的前缀被保留为上下文，并使用[gMASK]来屏蔽其余部分。

FFN改成GLU：
GLM-130B中改进transformer结构中的前馈网络（FFN），用GLU（在PaLM中采用）取代它，实验效果表明选择带有GeLU激活的GLU训练更稳定.(对比了另一个新提出的门控单元GAU）

• GeGLU需要三个投影矩阵；为了保持相同数量的参数，与只利用两个矩阵的FFN相比，我们将其隐藏状态减少到2/3

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参考文章：

• https://hub.baai.ac.cn/view/32100