深度解读 Llama 3.1 技术报告：从405B参数到24000块H100集群_llama3.1-405b 预训练的数据内容

Meta在最近发布了他们的开源大模型Llama 3.1，引起了广泛的关注和讨论。随着热度逐渐退潮，Llama 3.1 的详细技术报告也公开了。这份报告揭示了很多关于Llama 3.1 的技术细节和实现原理。本文将从模型参数、基础设施、预训练、后训练等方面，详细剖析Llama 3系列模型的关键技术。

一、模型参数

Llama 3.1 最引人注目的地方就是其高达405B的庞大参数。虽然现今已经不再是纯粹的规模为王的时代，但Meta通过Scaling Law（缩放定律）来确定旗舰模型的最佳大小，以保证在特定基准的性能和经济效益之间找到平衡。

1.1 Scaling Law的挑战

Scaling Law的应用存在两个主要挑战：

1. 现有的Scaling Law通常只能预测下一个词的损失，不能预测特定基准的性能。
2. Scaling Law可能会因为小计算量的预训练变得嘈杂和不可靠。

1.2 两阶段方法

Meta采用了两阶段方法来解决上述挑战：

1. 确定最优模型在下游任务上的负对数似然（NLL）和训练FLOPs之间的相关性。
2. 利用Scaling Law模型和更高计算FLOPs训练的旧模型，将NLL与基准任务的准确率相关联。

具体步骤如下：

1. 保证在6×10^18 FLOPs到10^22 FLOPs之间的计算预算。
2. 通过预训练模型构建Scaling Law，使用余弦学习率计划预热2000个训练步骤，峰值学习率设定在2×10^-4到4×10-4范围内，并将余弦衰减设置为峰值的0.1。

二、基础设施

为了支持Llama 3.1 的训练，Meta整合了24000多块H100 GPU，重新搭建了生产集群。这个集群配备了80GB的HBM3和Meta的Grand Teton AI服务器平台，每个服务器配备八个GPU和两个CPU。

2.1 硬件架构

在服务器内部，八个GPU通过NVLink连接，模型的训练使用了Arista 7800交换机和Minipack2 OCP交换机，采用RoCE网络拓扑结构。通过三层CLOS网络连接，形成了一个拥有3072个GPU的pod，最终形成了24000个GPU的集群。

2.2 存储网络

为了支持庞大的模型训练，Meta构建了一个分布式文件系统，提供高达240PB的存储空间，并支持每秒2TB的持续吞吐量和每秒7TB的峰值吞吐量。通过这一系列设置，Meta希望将检查点期间的GPU暂停时间最小化，同时增加检查点的频率，从而减少恢复后丢失的工作量。

2.3 负载均衡和拥塞控制

由于大语言模型的训练会产生大量的网络流量，Meta采用了增强等价多路径路由（E-ECMP）协议，对RoCE数据包头中的额外字段进行哈希，从而在不同的网络路径上平衡网络流。此外，Meta还采用了深缓冲交换机，在骨干网络上进行部署，以降低集合通信模式引发的瞬间拥塞和缓冲问题。

三、预训练

Llama 3.1 的预训练数据包含截至2023年末的各种数据源，经过多次去重和数据清洗，以保证获得高质量的Token，同时删除大量个人身份信息和成人内容。

3.1 数据混合和退火

Meta开发了一个分类器对网络数据进行分类，并通过Scaling Law实验确定最佳的数据混合比例。最终的混合数据集中包含大约50%的一般知识token，25%的数学和推理token，17%的代码token，以及8%的多语言token。此外，Meta还通过退火技术对高质量数据进行上采样，以提高预训练模型的性能。

3.2 训练方法

405B模型的预训练采用了余弦学习率计划，峰值学习率为8×10^{-5，线性预热8000步，然后在1200000个训练步骤内衰减到8×10}-7。Meta发现，在训练初期使用较小的批量大小可以提高训练的稳定性，随后再增加批量大小，从而提高效率。

四、后训练

后训练阶段主要包括奖励和微调模型。Meta使用人类标注偏好数据训练的奖励模型，以及监督式微调（SFT）和直接偏好优化（DPO）。

4.1 奖励模型和SFT

基于最后405B的检查点，Meta训练了一个涵盖不同能力的奖励模型，并使用偏好数据进行了奖励建模，标注被划分成四个偏好等级。随后，研究人员使用奖励模型对人工标注的提示进行了拒绝采样，并将拒绝采样数据和其他数据源合并，再使用标准的交叉熵损失对预训练语言模型进行了监督式微调。

4.2 DPO

在SFT之后，Meta进一步使用DPO对SFT模型进行训练，以便与人类的偏好对齐。相比于PPO，DPO针对大参数模型的计算量更少，并且性能更好。此外，为了提高DPO训练的稳定性，研究人员对DPO进行了多项修改，包括屏蔽特殊格式的Token，并添加了一个额外的负对数似然损失项。

五、推理

Llama 3.1 的405B模型在FP16推理时至少需要810GB的显存，至少要两台装有8个H100的服务器。如果服务器之间有NVLink和NVSwitch高速互联，可以使用张量并行，而在带宽较低或延迟较长的情况下，则需要使用流水线并行，并使用微批处理来提高吞吐量。

FP8推理则只需要一台服务器即可部署，不仅能够让预填充阶段的吞吐量提高50%，而且在解码阶段也能获得更好的吞吐量-延迟权衡。

结论和未来展望

Llama 3.1 技术报告详细揭示了Meta在大模型训练上的诸多技术细节和挑战。通过分析这些细节，可以看出Meta在硬件架构、数据处理、训练方法等方面都进行了大量的创新和优化。未来，随着模型和集群规模的进一步扩大，Meta还将面临更多的挑战，但可以预见的是，这些技术的进步将为大语言模型的发展带来更多可能性。