大模型常见面试题_大模型面试问题

1、在Transformer模型中，为什么scaled dot-product attention在计算QK内积之后要除以根号d？

简单来说，就是需要压缩softmax输入值，以免输入值过大，进入了softmax的饱和区，导致梯度值太小而难以训练。如果不对attention值进行scaling，也可以通过在参数初始化时将方差除以根号d ，同样可以起到预防softmax饱和的效果。

2、Transformer自注意力计算中，为什么Q和K要使用不同的权重矩阵进行线性变换投影，为什么不使用同一个变换矩阵，或者不进行变换？

1、如果Q和K一样，则矩阵乘积的结果是一个对称矩阵，这样减弱了模型的表达能力。

2、如果Q和K一样，乘积结果的对称矩阵中，对角线的值会比较大，导致每个位置过分关注自己。

3、使用不同的投影矩阵，参数增多，可以增强模型表达能力。

3、Transformer模型中，注意力计算后面使用了两个FFN层，为什么第一个FFN层先把维提升，第二个FFN层再把维度降回原大小？

1、提升维度：类似SVM kernel，通过提升维度可以识别一些在低维无法识别的特征。

2、提升维度：更大的可训练参数，提升模型的容量。

3、降回原维度：方便多层注意力层和残差模块进行拼接，而无需进行额外的处理。

4、MQA(Multi-Query Attention)和GQA(Grouped-Query Attention)相比MHA(Multi-Head Attention)，计算量变化如何，主要带来了什么优化？

1、MQA和GQA虽然可训练参数量比MHA少，但是计算量和MHA相比变化不大，主要在生成KV时有少量降低。

2、Decoder-only的大模型由于causal attention的存在，使用了KV缓存加速推理。MQA和GQA能减少KV头的数量，节省了缓存，使得在输入长度较长时也能把KV放进缓存。

5、为什么现在主流的LLM模型基本都是Decoder-only的结构？单向注意力模型为什么效果比双向注意力效果好？

1、双向Attention在多层模型训练中容易退化成低秩矩阵，限制了模型容量；而Decoder-only模型使用了下三角注意力矩阵，使得训练过程中矩阵是满秩，建模能力更强。

2、单向注意力模型相比双向注意力模型在训练的时候难度更大，能迫使模型学到更多信息。

3、Causal Attention天然具有位置编码的功能，而双向Attention即使交换两个token的位置也基本不影响表示，对语序区分能力较弱。

4、工程上，单向模型支持KV Cache等，对于对话场景效率友好。

5、轨迹依赖，基模型训练成本高，业界倾向于沿着已经成功的模型继续开发。

6、在Bert中，词向量token embedding和(绝对)位置编码position encoding为什么可以直接相加？

1、两个向量相加，理论上其效果等价于维度拼接concat+线性变换，而相加的操作在实现上更为方便。

2、高维空间中(如768维)，两个随机向量近似为正交关系。模型在高维度有能力区分出所有组合的情况。假设共有2万个词向量，500个位置，则模型需要在768维空间区分1000万个点，即使768维每个维度只能取1和-1也具备足够的区分能力。

3、词向量和位置编码可以认为都是一个one-hot向量经过一层线性变换层得到的。两个向量相加等价于把它们的one-hot编码拼接后进行线性变换。

4、没有使用相乘则是出于工程考虑。相加相比相乘结果更为稳定，方便训练。

7、LoRA和全参数训练在计算量和显存上相比如何？为什么LoRA能提升大模型训练效率？

1、计算量上：LoRA训练时，在主干模型的（部分）全连接层增加了LoRA旁路，前向和后向的计算量都在主干模型的基础上，增加了旁路部分的计算，因此相比全参数训练，略有增加。

2、显存上：训练时，显存主要有①模型参数②梯度③中间激活值④优化器参数四个部分。模型参数/梯度/激活值相比全参数训练也略微增加；而优化器则不需要再存储原模型参数的部分，只需要存储LoRA旁路部分，这部分节省较多显存。

3、使用LoRA能提升训练效率主要是因为（1）优化器部分的显存需要减少了，可以增大batch（2）优化器参数减少了，分布式训练中多卡之间的通信量减少了（3）（optional）主干模型由于不用更新，可以进一步量化到int8/int4等。

8、为什么模型需要normalization（batchnorm/layernorm等）？

1、输入数据包含多个特征，特征之间有不同的量纲和范围（如身高180和年龄18岁），通过normalization进行归一化再经过模型进行线性/非线性组合，能够防止部分特征占据主导，部分特征被忽略。

2、batchnorm论文认为：模型一般有多层，前一层的输出是后一层的输入，而训练中前一层的参数更新会导致后一层的输入数据分布变化导致ICS（internal covariate shift），这样后面的层就不得不频繁剧烈更新适应分布变化，导致分布偏移进入激活函数饱和区而出现梯度消失，另外分布变化也是对i.i.d.条件的破坏。使用normalization可以保持分布的稳定，减小方差，使模型训练可以正常进行。

3.《How Does Batch Normalization Help Optimization?》设计了实验测量使用batchnorm前后的ICS，发现batchnorm实际上并没有缓解ICS，甚至有所增加。而batchnorm能优化模型训练的原因更多是使得损失函数平面更加光滑，而便于梯度下降收敛。

9、Transformer中pre-norm和post-norm各有什么优缺点?

1.原始的Transformer用的是post-norm，它在残差之后进行归一化（add & norm），对参数正则化的效果更强，模型更为鲁棒；post-norm对每个通路都进行了归一化，使得梯度在回传的时候容易出现消失。

2.Pre-norm相对于post-norm，残差部分存在不经过归一化的通路，因此能够缓解梯度消失，能够训练更深的网络。但是模型的等效“深度”受到影响，L+1层网络近似于一个L层的宽网络。

3.也就是说，在层数较少，post-norm和pre-norm都能正常收敛的情况下，post-norm的效果更好一些；但是pre-norm更适合用于训练更深的网络。

10、对于使用Multi-Head Attention的模型，假设hidden size=D，注意力头数量为h，每个头维度为d（假设有D=d×h），输入上下文长度为s，batch size=1，计算self-attention模块各个部分的计算量（Float Operations）。

1.QKV线性变换：6 × s × D^2（矩阵乘法，每个位置有加法和乘法两个运算，因此每个位置需要2D次计算）

2.QK内积：h × 2 × d × s^2（h组矩阵分别计算）

3.scaling：h × s^2

4.softmax：h × 3 × s^2（softmax是按列进行的，每列要计算s个exp，s个exp结果的求和，以及s次除法）

5.reduction（权重矩阵乘以V）：h × 2 × d × s^2

11.旋转位置编码RoPE有什么优缺点？

优点：RoPE以绝对位置编码的方式实现了相对位置编码，使得能够在不破坏注意力形式的情况下，以“加性编码”的方式让模型学习相对位置。①相比其他相对位置编码来说，实现简单，计算量少。②可以应用于线性注意力。③RoPE具有远程衰减的特性，使得每个位置天然能够更关注到附近的信息。

缺点：RoPE相比训练式的绝对位置编码具有一定的外推能力，如可以在2k数据长度训练的模型进行略长于2k的推理。但是相比于Alibi等位置编码，其直接外推能力并不算特别好，需要通过线性插值、NTK插值、YaRN等方式来优化外推能力。

12.batchnorm中的momentum怎么影响训练效果

batchnorm在训练时计算每个batch内的均值和方差用于normalization，同时统计一个全局均值和方差用于推理。全局均值和方差计算公式为：

moving_mean = momentum × moving_mean + (1.0 − momentum) × mean

moving_var = momentum × moving_var + (1.0 − momentum) × var

小的momentum值对应快的更新速度，能够更快地向真实分布靠近，但是同时也会导致更大的波动；如果更新过慢，则可能导致训练结束时还没有统计到真实的分布，是欠拟合的状态。如果batch size比较小，每个mini batch和全局差异较大，就不应该用太大的momentum。

13.多头注意力相比单头有什么好处？

多头注意力使用多个维度较低的子空间分别进行学习。

一般来说，相比单头的情况，多个头能够分别关注到不同的特征，增强了表达能力。多个头中，会有部分头能够学习到更高级的特征，并减少注意力权重对角线值过大的情况。

比如部分头关注语法信息，部分头关注知识内容，部分头关注近距离文本，部分头关注远距离文本，这样减少信息缺失，提升模型容量。

另外虽然多头注意力的整体计算量比单头要大一点，但是并行度也高一些。

14.kv cache为什么能加速推理？

对于GPT类模型，使用的是单向注意力，每个位置只能看到自己和前面的内容。

在进行自回归解码的时候，新生成的token会加入序列，一起作为下一次解码的输入。

由于单向注意力的存在，新加入的token并不会影响前面序列的计算，因此可以把已经计算过的每层的kv值保存起来，这样就节省了和本次生成无关的计算量。

通过把kv值存储在速度远快于显存的L2缓存中，可以大大减少kv值的保存和读取，这样就极大加快了模型推理的速度。

15.ReLU有什么优缺点？

优点：（1）计算快，前向只需要进行max(0, x)计算，后向则是直接透传；（2）有激活值的时候，梯度恒定为1，不会爆炸/消失；

缺点：（1）均值不为0，分布产生偏移（2）输入值小于0时，梯度再也无法回传过来，导致神经元坏死。

16.为什么Transformer用layernorm而不是batchnorm

首先，NLP数据中由于每条样本可能不一样长，会使用padding，如果对padding部分进行normalization，对效果有负面影响。直观来说，batchnorm会对同一个特征以batch为组进行归一化，而对于文本数据，同一个位置的token很可能是没有关联的两个token，对这样一组数据进行归一化没有什么实际意义。《PowerNorm: Rethinking Batch Normalization in Transformers》论文的实验也表明，在NLP数据使用batchnorm，均值和方差相对layernorm会更加震荡，因此效果欠佳。

17.transformer中，encdoer和decoder是怎么进行交互的？

decoder部分的输入，在每层中，先进行一次self-attention；之后用encoder的输出作为attention计算中的K、V，decoder的输入作为Q，进行cross-attention。

18.PyTorch中，Tensor的view()和reshape()两个方法有什么区别？

1.功能上：view()与reshape()方法都可以用来改变tensor的形状，但是使用条件不同，view()能做的是reshape的子集。

2.view()方法需要tensor满足连续性，操作后返回一个引用，返回值是视图，没有改变原储存空间的值，多个视图共享同一个物理储存空间的内容。

3.reshape()方法不需要tensor一定满足连续性。如果tensor不满足连续性的要求，则会使用新的储存空间并返回。如果满足连续性需求，则功能和view()一致。

4.连续性：比如一个二维张量，如果按行优先展开成一维的结果，和物理储存顺序是一致的，就是连续的。可以用is_contiguous()来判断一个张量是否连续，如果不连续，可以用contiguous()得到一份新空间中的连续副本。

19.RLHF中，PPO需要哪几个模型，分别是什么作用？

一般来说，PPO需要使用4个模型。

1.Actor模型：由SFT初始化，就是进行强化学习的主模型，是我们想要最终获得的模型；它不断产生action并被Critic模型所评价，计算loss进行训练。

2.Reference模型：一般也是从SFT模型初始化，RLHF中Reference模型并不更新参数，只是作为Actor模型的参考使用；通过约束Actor模型和Reference模型的KL penalty等，可以防止Actor模型被训得跑得太偏。

3.Reward模型：提前训练好的，对SFT模型进行打分的模型，RLHF中参数是冻结的。

4.Critic模型：一般由Reward模型进行初始化，参数可训练，用于预测Actor模型生成的token的收益。

20.GPT类模型训练过程中，消耗显存的主要有哪些部分？分别是多少？哪部分占用最多？假设模型有L层，词表大小为V，hidden size为H，batch size为B，训练窗口长度为S，使用Adam优化器混合精度训练（需要存一阶和二阶动量），注意力头数为N。

训练过程中，显存消耗主要有模型参数、梯度、optimizer状态值和中间激活值。

1.模型参数Φ：词表部分VH，每层参数12H^{2+13H，总共有Φ=VH+L(12H}2+13H)，如果是半精度就是2Φ

2.梯度：每个参数对应有一个梯度，总量为Φ，如果是半精度就是2Φ

3.optimizer状态值：每个参数有一个对应梯度，每个参数又对应优化器一个一阶动量和二阶动量。在混合精度训练中，使用半精度进行前向计算和梯度计算，同时优化器备份一份单精度的优化器状态、梯度和参数用于更新参数，因此共有(Φ+Φ)*2+(Φ+Φ+2Φ)*4=20Φ，除去参数和梯度，优化器占部分16Φ

4.激活值：保存激活值是为了计算梯度，因此每个矩阵相乘、softmax、dropout都需要保存输入值的中间的激活值。总共是34BSH+5BNS^2，如果都是半精度，就乘以2。

模型参数、梯度和优化器状态和输入长度无关，是固定值，而激活值随着长度增加，以平方速度增长。以GPT3（175B）为例，H=12288，L=96，N=96。模型参数量显存越为350G。以B=1计算，如果S=1024，激活值约为90G；如果S=8192，激活值约为3420G。

21.使用半精度训练时，bf16和fp16格式有什么异同？

二者都是占用16bit空间。

fp16由1个符号位、5个指数位和10个尾数位组成。fp16在表达小数时具有较高的精度，但表示的最大范围相对bf16比较小。相比bf16，在表达较大的数时更容易出现上溢的情况。

bf16由1个符号位、8个指数位和7个尾数位组成。相比于fp16，bf16牺牲了一些尾数位以增加指数位，扩大了表达的范围，但是精度降低了，因此对于对精度需求比较高的模型，模型可能效果不如fp16。

模型训练时使用bf16和fp16都可以降低内存使用和传输量，提高训练效率。

22.支持模型长上下文的方案「NTK-aware interpolation」的思路是什么？

1.在NTK插值之前，线性插值通过在原模型训练的两个位置编码中间，插入新的位置编码，使得同样的取值范围可以容纳更多位置。

2.而NTK插值则是一种非线性插值的方法。它通过仅改变RoPE的base，使得位置编码中不同频率的信号有不同的表现，具体来说就是“高频外推，低频内插”。高频信号使用外推，防止分辨率太低，而低频信号沿用插值的方式，实现方便。

23.LLM长度外推方案NTK-by-parts的思路是什么？

NTK-by-parts的方法在NTK插值的基础上又多想了一层。它认为无论是线性插值还是NTK-aware插值，都认为RoPE的所有分量都对网络有同样的重要性。而NTK-by-parts的思路认为，应该区别对待不同分量，他们对网络的影响有所不同。对于波长远小于上下文长度的分量（如波长<=1/32上下文），就不插值只外推；而对于波长大于等于上下文长度的分量，就只外推不插值；对于介于两者之间的分量，就使用外推和插值的加权和。

使用一个斜坡函数来定义NTK-by-parts的分段插值方法，如下所示

24.LLM长度外推方案YaRN是怎做的？

PI/NTK/NTK-by-parts主要的做法都是使用插值，而随着插值进行，token之间的距离变得更近（因为现在每一个位置旋转角度变小了），平均最小距离在减小，这样注意力softmax的分布会变得更尖，也就是都集中在某个区间。

换句话说，就是RoPE原本远距离衰减的特性变弱了，衰减得更不明显，就会导致模型更平均地关注到更多的token，这样就削弱了注意力机制，导致输出质量下降。

可以通过在softmax之前，将中间注意力矩阵乘以温度 t>1来缓解这个问题。由于RoPE被编码为一个旋转矩阵，就可以简单地给旋转矩阵乘以一个系数根号t来实现，这样可以不必修改注意力的代码。

YaRN结合NTK-by-parts和这个温度系数，对attention score进行调整。

25.对于使用Group-Query Attention的模型，假设hidden size=D，Q的注意力头数量为h，每个头维度为d（假设有D=d×h），kv组数为n，输入上下文长度为s，batch size=b，模型层数为L，计算推理时kv cache所需的空间。

kv cache缓存的是经过投影变换之后的K和V矩阵。

对于GQA，每层有n组K和V，每组的特征维度和Q的每个头的特征维度相同，为D/h。则每层每组K和V数据量为sD/h，整个模型共有2LnsD/h个数据，因此整个batch需要缓存2bLnsD/h个数据。如果使用的是半精度浮点数，每个浮点需要两个字节，因此共需要4bLnsD/h字节的空间。