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InternLM/InternVL系列多模态大模型核心技术解析

作者：繁依Fanyi0 | 2024-07-31 17:34:30

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InternLM/InternVL系列多模态大模型核心技术解析

前言

作者：DefTruth，AI Infra，暨南大学(JNU)
原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/702481058

本文主要是记录一下关于多模态大模型InternLM/InternVL系列的一些要点的理解。还是那句话，好记性，不如烂笔头。本文当成个人笔记用，行文风格和先前写的LLaVA系列一致。本文的重点是讲解多模态模型InternVL 1.5，但是InternVL 1.5选择了InternLM2作为LLM底座，以及使用InternViT-6B作为视觉理解模型。因此，本文也先从InternLM2和InternViT开始讲起。InternLM2和InternViT以简单说明为主。

InternLM2 简析

InternLM2 模型结构: LLaMA + GQA

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InternLM2模型结构

InternLM2采用了LLaMA的模型结构，并且和LLaMA一样，使用了GQA。LLaMA大家都比较熟悉了，就不再重复说明了。不过比较有意思的是，为了提高Tensor Parallel的效率，InternLM2对Wqkv的权重进行了交织重排，下一小节将会继续介绍这个技术。

Interleaving Wq, Wk, Wv

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InternLM2权重交织

InternLM2对比InternLM一个比较大的改变就是，对Wqkv的堆叠权重矩阵进行了交织重排，根据论文的说明，这个操作降低了Tensor Parallel下权重矩阵分发的复杂度。InternLM采用和LLaMA完全一样的做法，Wqkv是由Wq, Wk和Wv顺序stack在一起构成，这种做法，在使用Tensor Parallel时，需要执行更多的操作（比如各种slice、cat）才能将权重矩阵正确地切分到不同的GPU上，导致这块会产生一个非常碎片化的子图，对backward/forward效率都有一些影响。而InternLM2的Wqkv矩阵不是直接顺序stack的，而是对三个矩阵进行交织重排（上边这个图表达地应该很清晰了），使用Tensor Parallel的时候，只需要一个split操作就能完成矩阵切分，减少了大量冗余的操作。这个交织重排操作，大概能提高5%的训练效率。

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权重交织的影响

不过，这个权重交织的操作，虽然可以提升训练效率，但是对下游的部署任务来说，就不是那么友好了。虽然InternLM2是LLaMA结构，但是Wqkv使用权重交织后，就没办法使用常用的部署方式了。因此，目前看到社区对InternLM2的部署支持也分为两种方式，分别是

  • • （1）LMDeploy原生支持，LMDeploy无缝衔接InternLM2系列的部署，开箱即用，性能也不错；

  • • （2）de-Interleaving Wq, Wk, Wv -> LLaMA，即先对权重解交织，还原成标准的LLaMA结构和参数保存格式，然后就可以开心地使用现有的众多框架进行部署了。

InternLM官方也提供了转换工具，非常nice，具体请参考：

https://github.com/InternLM/InternLM/tree/main/tools

其中解交织部分的代码如下。这个gs表示就是上图中有多少个query head和kv的权重交织在一起，num_key_value_groups就是query head的数量，这些query head对应相同的KV，2是指k和v各占一份。torch.split在dim=1按照 [num_key_value_groups, 1, 1] 进行切分，这是由于使用了GQA，多个query head对应一组KV head，在split的时候要符合GQA的要求。split得到Wq,Wk,Wv权重矩阵后，在reshape回原来的二维矩阵的维度。其他剩余的逻辑主要就是权重name的一对一匹配了，这个很好理解。

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权重解交织逻辑

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num_key_value_groups计算逻辑

另外，目前在TensorRT-LLM中，支持直接使用InternLM2原生模型进行checkpoint转换、build engine和推理，我们可以从convert_checkpoint.py中的逻辑可以看到，其中执行了权重解交织操作，然后使用TensorRT-LLM的API进行权重的赋值以及组网操作，并且调用了tensorrt_llm.models.llama中的convert组件，来对权重进行正确的转换。不过，在目前的实现中，还不支持FP8/SQ量化，只支持Weight Only。因此，如果需要走FP8量化部署的方案，还是建议走”de-Interleaving Wq, Wk, Wv -> LLaMA“的方案。TensorRT-LLM中示例见：

https://github.com/NVIDIA/TensorRT-LLM/tree/main/examples/internlm2

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TensorRT-LLM InternLM2 权重解交织

另外，我们再回到LMDeploy的源码看下交织后的权重是如何妥善处理，并利用TurboMind后端推理的。具体代码如下。从代码中看到，LMDeploy的实现，实际上也是先将权重进行解交织，并且对权重按照name一对一匹配，接着使用LLaMa结构进行转换，InternLM2Reader继承的是LlamaReader。详细代码见：

https://github.com/InternLM/lmdeploy/blob/main/lmdeploy/turbomind/deploy/source_model/internlm2.py

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LMDeploy中的权重解交织

InternLM2.5简析

2024年7月3日，InternLM团队发布了InternLM2.5，模型结构和InternLM2一样，效果更好。大概看了下，这次主要是更新了7B系列的Chat模型。其中InternLM2.5-7B-Chat-1M模型支持百万长度的上下文窗口。这次发布的主要核心点有三个：

  • • （1）卓越的模型推理能力，在数学推理的任务上达到了SOTA，超过了同等规模参数量的其他模型，如LLaMA3-8B和Gemma-9B；

  • • （2）支持百万长度上下文长度的推理，并且可以通过LMDeploy快速部署，开箱即用（PS: 他们家训推一整套无缝衔接做的真的太棒了！赞！LMDeploy性能和用户体验都不错。）；

  • • （3）增加了更多的应用工具的支持，比如快速对大量的网页信息进行聚合，后续也将会整和到Agent工具中。

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InternLM2.5

InternLM2.5 Benchmark

可以看到，InternLM2.5 7B Chat模型在多项任务上都达到了同等参数规模模型的SOTA水平，并且在Math任务上，比LLaMA3-8B-Instruct和Gemma2-9B-IT要高出一大截啊，说实话，有点被震惊到了。

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InternLM2.5 Benchmark

InternViT简析

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InternViT-6B采用的就是经典的ViT模型结构，作为InternVL的视觉模块进行使用，不单独使用。ViT参考文献：

https://arxiv.org/abs/2010.11929

ViT经典模型结构如下：

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ViT经典模型结构

从实现的代码上看，InternViT主要由VisionEmbeddings和VisionEncoder两个大模块组成，VisionEmbeddings负责将图像编码成Embedding，并且position embedding采用了可学习的方式，forward时，会将图像patch embedding和position embedding相加，得到ViT的输入，然后送入VisionEncoder进行推理。VisionEncoder中包含多层标准的Transformer层，也就是InternVisionEncoderLayer。更详细的实现，可以参考官方的代码：

https://github.com/OpenGVLab/InternVL/blob/v2.0.0/internvl_chat/internvl/model/internvl_chat/modeling_intern_vit.py

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InternViT模型源码

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position embedding

InternVL1.5简析

InternVL1.5整体结构

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InternVL1.5整体结构

InternVL 1.5整体结构包括3个部分：ViT、MLP Projector和LLM底座。ViT模型选择的是一个6B的模型，作为强视觉特征提取器，参数规模由以前的几百M，跃升到和大模型一个级别；MLP Projector则是负责将视觉特征和语言模型的特征空间进行对齐，InternLM2-Chat-20B的embedding维度是6144，MLP Projector会将视觉特征转换到相同的维度；LLM底座选择的是自家的InternLM2-Chat-20B。InternVL 1.5的总体参数量是26B。并且，在整体框架中我们还看到另外两个技术手段，分别是Pixel Shuffle和Dynamic High Resolution；Pixel Shuffle主要是用来重排ViT提取到的pixel feature，目的是减少visual token的数量并保持特征信息不丢失，而Dynamic High Resolution，即动态高分辨率，则是为了让ViT模型能够尽可能获取到更细节的图像信息，提高视觉特征的表达能力。接下来，本文会对这个两个技术做详细的解析。

Pixel Shuffle: 减少visual token数量

Pixel Shuffle在超分任务中是一个常见的操作，PyTorch中有官方实现，即nn.PixelShuffle(upscale_factor) 该类的作用就是将一个tensor中的元素值进行重排列，假设tensor维度为[B, C, H, W], PixelShuffle操作不仅可以改变tensor的通道数，也会改变特征图的大小，先看官方文档：

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nn.PixelShuffle

即把维度(B, C x r x r, H，w) reshape成 (B, C, H x r，w x r), 给出的例子，假设upscale因子是3，输入通道是9，则输出通道是9/3/3=1, 输出大小为输入大小乘以upscale。nn.PixelShuffle的解释，参考自：torch.nn.PixelShuffle(upscale_factor)函数详解[1]。如果upscale_factor值大于1，则相当于H,W变大，channel数变少，是一个上采样操作。InternVL 1.5中的pixel shuffle与torch中略有不同，但原理是一样的，InternVL 1.5中是自己写了一个pixel shuffle的操作，他的这个操作刚好相反，是一个下采样操作，实际使用的scale_factor为0.5，其实就相当于把更多的像素保存在channel维度上，所以pixel shuffle后，H, W变小了，channel数变多了。对于scale_factor，比如0.5，pixel shuffle将输入[N, W, H, C]转换成shape为[N, H x scale, W x scale, C//(scale^2)]的Tensor。

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pixel shuffle

我们来看下InternVL-Chat-V1.5中的实际调用链路，具体逻辑如下图，其中pixel_values是指组batch后原始的图像输入，比如shape为[5,3,448,448]。InternVL 1.5中默认select_layer为-1，即提取最后一层的hidden_state作为feature map。提取到feature map之后就会调用pixel shuffle函数对feature map进行处理。

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pixel shuffle at extract_feature

通过打印日志，我们可以清晰地看到visual embedding在extract_feature过程中shape变化：

  1. [INFO]: extract_feature pixel_values: torch.Size([5,3,448,448])
  2. [INFO]: extract_feature vit_embeds: torch.Size([5,1025,3200])
  3. [INFO]: extract_feature vit_embeds[:,1:,:]: torch.Size([5,1024,3200])
  4. [INFO]: extract_feature vit_embeds after reshape: torch.Size([5,32,32,3200])
  5. [INFO]: extract_feature vit_embeds after pixel_shuffle: torch.Size([5,16,16,12800]), downsample_ratio:0.5
  6. [INFO]: extract_feature vit_embeds before mlp1: torch.Size([5,256,12800])
  7. [INFO]: extract_feature vit_embeds after mlp1: torch.Size([5,256,6144])
  8. [INFO]: input_embeds: torch.Size([1,2596,6144])
  9. [INFO]: input_embeds [B*N, C]: torch.Size([2596,6144])

可以看到，这个示例中，pixel shuffle的ratio=r=downsample_ratio=0.5。并且pixel shuffle是在提取的vit emb上调用的，而不是在原始图像上，具体可以看上图源码的逻辑，举个实际的例子，[5, 3, 448, 448]的pixel_values经过InternViT-6B后，得到[5, 1024, 3200]大小的feature map，按照hxw的空间布局reshape后为[5, 32, 32, 3200]，其中32x32就是原始的visual token数，3200就是特征channel数。接着对[5, 32, 32, 3200]的feature map进行pixel shuffle处理，r=0.5，变换得到[5, 16, 16, 12800]。我们可以看到，pixel shuffle之后visual token数量变成了原来的1/4，即16x16=256。最后，再将[5, 16, 16, 12800]reshape为[5,256,12800]，并经过MLP1，得到[5, 256, 6144]。这个6144就是LLM语言模型InternLM2-20B的hidden_size，见config.json中的配置：

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InternLM2-20B的hidden_size

可见，对于一个448x448的image来说，经过ViT + pixel shuffle后，visual token数由原来的32x32下降到了16x16，token数下降到了原来的1/4，既保留了原始的feature信息，又达到了减少上下文长度的效果。

Dynamic High Resolution: 动态高分辨率

Dynamic High Resolution具体的做法为：对于输入的图片，首先resize成448的倍数，比如InternVL 1.5中，设置的比例为2:3，也就是resize成(H=448x2=896, W=448x3=1344)，然后按照预定义的尺寸比例从图片上crop对应的区域。首先，将图片划分成2x3的块，Aspect Ratio=1:1就是表示取最左上角的块，而1:2则是取第一行中间的块，以此类推其他的Ratio代表的含义。并且，为了能够捕获全局的信息，还将整图resize成448x448，作为Thumbnail和其他crop出来的图像stack到一起作为输入。

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Dynamic High Resolution

具体到InternVL 1.5的预处理代码，我们可以看到，代码中首先会根据max_num生成一系列备选的ratio，并且通过set去重，然后是调用find_closet_aspect_ratio找到和aspect_ratio最匹配的target_aspect_ratio，这是为了保持一致的宽高比，避免不合理的resize导致图片失真。比如输入是800x1300的图片，会找到最优的ratio为2:3，然后会根据这个ratio以及image_size=448，将输入图片resize为448的倍数，即896x1344。所有需要crop的blocks数量等于2x3=6，需要留意的是，由于在获取target_ratios的时候，已经限制了 i*j <= max_num，因此，blocks的值总是满足max_num的限制的。

  1.  # calculate the existing image aspect ratio
  2.     target_ratios =set(
  3. (i, j)
  4. for n in range(min_num, max_num +1)
  5. for i in range(1, n +1)
  6. for j in range(1, n +1)
  7. if i * j <= max_num and i * j >= min_num
  8.     )

接下来，就是通过一个for循环来计算第i个block对应的图片块范围，然后crop对应的区域获得的当前的图像块，图像块之间不存在跳变和跨越。我们推测，如果max_num值越小，那么对应的target_aspect_ratio的值也会越小，输入图像会在resize到一个相对小的尺寸，然后crop对应的blocks（但是这个尺寸也是比原图要大的），也就是，能够catch到的图像细节就越少；反之，输入图像会在resize到一个更大的尺寸，然后crop对应的blocks，能够catch到的图像细节就越多。在实际训练的时候，由于训练资源的限制，InternVL 1.5选择了最大的max_num为12，加上thumbnail就是13个块，对应到visual token数就是256x13=3328，而在推理时则没有这个限制，最大max_num可以到40，也就是visual token数可以到256x41=10496。

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dynamic preprocess源码

模型训练、Prompt拼接和实验结果

  • • 模型训练：InternVL 1.5训练分为2个阶段。阶段一：对MLP Projector和InternViT-6B模型做预训练，LLM底座权重冻结，这个阶段主要是针对视觉特征提取器进行优化；阶段二：InternViT-6B + MLP Projector + InternLM2-20B总共26B的参数全部参与训练，上下文长度设置为4096，并且采用和LLaVA一样的prompt格式。

  • • Prompt拼接：Prompt拼接逻辑也比较简单，具体操作是，将img_tokens放在用户prompt的前边，并根据对话模版进行填充。以下代码片段来自InternVL 1.5 HuggingFace仓库源码：

  1. image_tokens = IMG_START_TOKEN + IMG_CONTEXT_TOKEN * self.num_image_token * image_bs + IMG_END_TOKEN
  2. question = image_tokens + '\n' + question
  3. template.append_message(template.roles[0], question)
  4. template.append_message(template.roles[1], None)
  5. query = template.get_prompt()

img_token_id是通过一个fake的特殊token先进行填充的，等Vision Model提取到真实的特征后，会进行替换：

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填充真实的img feature

不过需要注意的是，实际上img_token_id并不是在整个prompt的最前方的，因为还会根据chat template进行填充，真正输入LLM模型的input_ids是填充后的prompt分词的ids，实际的prompt长这样：

  1.  <|im_start|>system
  2. You are an AI assistant whose name is InternLM (书生·浦语).<|im_end|><|im_start|>user
  3. <img><IMG_CONTEXT><IMG_CONTEXT>...<IMG_CONTEXT></img>
  4. describe this image<|im_end|><|im_start|>assistant

  • • 实验结果：剩下就是各种高质量的数据集的整理和说明了，模型结构都是主流的，训练数据的质量很大程度影响模型的效果，具体的细节请看InternVL 1.5的论文，本文不再单独说明。最后，放一下InternVL 1.5的benchmark：

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InternVL 1.5 Benchmark

可以看到，InternVL 1.5在多个任务和评估标准下都达到了SOTA的水平。

部署方案

目前，针对InternVL系列的部署方案，最丝滑的，还是推荐使用LMDeploy。之前还有部署之后输出效果随机性明显的问题（greedy采样下），后来都修复了，见：https://github.com/InternLM/lmdeploy/pull/1741。不过，测试下来，发现，在BS变大后，性能瓶颈或许已经不在LLM模型，而是在没有经过优化的InternViT-6B的视觉模型上了。具体见issue：

https://github.com/InternLM/lmdeploy/issues/1869

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LMDeploy VL 视觉模型推理

我们可以看到，InternViT-6B视觉模型，使用了HF+accelerate推理，虽然权重平均分配到两张卡上，但是推理是逐层串行的，没有通过Tensor Parallel利用双卡的算力。随着视觉模块参数量的不断增大，比如未来VLM是否会出现搭配10B、20B以上参数量级的视觉模块？如果出现，那么对视觉模块+LLM基座结合起来做深度的性能优化，应该是不可避免的。

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InternVL 部署性能分析

InternVL2.0简析

2024年7月份，InternVL团队发布了InternVL 2.0，效果比InternVL 1.5更好。InternVL 2.0整体的网络结构和InternVL 1.5是一样的，Pixel Shuffle和Dynamic High Resolution的技术从InternVL 1.5继承了下来。但是InternVL 2.0进一步支持了医疗图像和视频作为输入，在功能上是比较大的变化。这次没有发布论文，不过有blog进行的说明，具体见：

https://internvl.github.io/blog/2024-07-02-InternVL-2.0/

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InternVL2 整体结构

相对于InternVL 1.5，这次更新的InternVL 2.0主要的创新有：

  • • （1）提出了渐进式对齐的训练策略：实现了与LLM原生对齐的视觉基座模型，渐进式训练策略使得模型从小到大，数据从粗到细训练。InternVL2.0以相对较低的成本完成了大模型的训练。这种方法在有限的资源下表现出了出色的性能。

  • • （2）多模态输入：通过一组统一的参数，InternVL2.0模型支持多种输入模态，包括文本、图像、视频和医疗数据。

  • • （3）多任务输出：基于VisionLLMv2，InternVL2.0模型支持各种输出格式，例如图像、边界框和掩模，具有广泛的多功能性。并且，通过将 MLLM 与多个下游任务解码器连接，InternVL2 可以推广到数百个视觉语言任务，同时实现与专家模型相当的性能。

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InternVL 2.0创新点

InternVL 2.0在多项测试标准中均达到了SOTA，并且，这次还发布了一个108B参数量级的模型，可以说是把开源多模态大模型参数量的天花板又往上提了一提。真是力大飞砖啊，不得不感叹，有钱真好~

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InternVL 2.0 Benchmark

总结

本文梳理了InternLM/InternVL系列的模型结构，详细讲解了InternLM2/InternVL1.5的算法原理，包括权重交织、Pixel Shuffle和Dynamic High Resolution等关键技术的细节理解。

参考文献

  1. [0]InternVL2:Better than the Best—ExpandingPerformanceBoundaries of Open-SourceMultimodalModelswith the ProgressiveScalingStrategy
  2. https://internvl.github.io/blog/2024-07-02-InternVL-2.0/
  3. [1]InternVL:Scaling up VisionFoundationModelsandAligningforGenericVisual-LinguisticTasks
  4. https://arxiv.org/pdf/2312.14238
  5. [2]HowFarAreWe to GPT-4V?Closing the Gap to CommercialMultimodalModelswithOpen-SourceSuites
  6. https://arxiv.org/pdf/2404.16821
  7. [3]InternLM2TechnicalReport
  8. https://arxiv.org/pdf/2403.17297
  9. [4]InternLM2.5-7BModelCard
  10. https://github.com/InternLM/InternLM/blob/main/model_cards/internlm2.5_7b.md
  11. [5]LMDeployis a toolkit for compressing, deploying,and serving LLMs.
  12. https://github.com/InternLM/lmdeploy
引用链接

[1] torch.nn.PixelShuffle(upscale_factor)函数详解: https://zhuanlan.zhihu.com/p/562932795

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