一、背景

我們之前已經(jīng)分享過幾篇關(guān)于 Sample Packing 相關(guān)的文章，也提到了其中的性能優(yōu)化問題。最近今天又看到一篇新的論文，這里進(jìn)行簡單介紹。

對應(yīng)的論文為：[2410.08081] Packing Analysis: Packing Is More Appropriate for Large Models or Datasets in Supervised Fine-tuning

相關(guān)工作可以參考我們之前的文章：

• Sample Packing：長序列 LLM 訓(xùn)練的 Attention 問題及優(yōu)化
• Sample Packing 綜述：LLM 效果與效率的 Tradeoff
• Binary Block Masking：加快稀疏 Attention 的一種新方法?

二、摘要

Sample Packing 技術(shù)最初應(yīng)用于大模型預(yù)訓(xùn)練階段，旨在通過合并不同的訓(xùn)練樣本來適應(yīng)模型的最大輸入長度，從而最大化硬件利用率。盡管在預(yù)訓(xùn)練中已展示了有效性，但對監(jiān)督微調(diào)（SFT）階段還缺乏全面分析：

• Packing 能否在保持性能的同時有效提升訓(xùn)練效率。
• 適合采用 Packing 技術(shù)進(jìn)行微調(diào)的模型和數(shù)據(jù)集的規(guī)模。
• Packing 無關(guān)或者相關(guān)的訓(xùn)練樣本是否可能導(dǎo)致模型過度忽略或依賴上下文。

本文中，作者對使用 Padding 和 Packing 的 SFT 方案進(jìn)行了對比，涵蓋從 69K 到 1.2M 的 SFT 數(shù)據(jù)集，以及 8B 和 70B 規(guī)模的模型。作者首次提供了關(guān)于 Padding 和 Packing 優(yōu)缺點(diǎn)的全面分析，以及在各種訓(xùn)練場景中實(shí)施 Packing 的考量。作者的分析涉及多個基準(zhǔn)，包括知識、推理和編碼，以及基于 GPT 的評估、訓(xùn)練效率等。此外，作者還開源了相應(yīng)微調(diào)和評估代碼，并提供了在不同規(guī)模數(shù)據(jù)集上微調(diào)的 Checkpoint，旨在推動未來 Packing 技術(shù)的研究。

PS：個人感覺這篇文章還有很多可以改善的地方，比如說：

• 沒有考慮 Document Level Mask 的問題。
• 沒有考慮長序列場景。
• 可以提供更多的實(shí)驗(yàn)證明其觀點(diǎn)：“特殊 Token [EOS] 可以有效地幫助模型區(qū)分兩個相鄰的訓(xùn)練樣本”。

三、方法

3.1 方法概述

如下圖 Figure 1 所示為對應(yīng)的 Padding 和 Packing 方案，其中 SFT 數(shù)據(jù)集包含單輪對話（一個樣本只包含一個輸入和對應(yīng)的一個輸出）和多輪對話（包含多個輸入-輸出對）。

• Padding：

每個序列中只包含一個樣本，如果不超過 Max Sequence Length 則補(bǔ)充[PAD] 占位 Token，到滿足 Max Sequence Length。

如果是多輪對話，每個輸入-輸出對之后也要添加[EOS] 結(jié)束 Token。

• Greedy Packing：
• 首先，將多輪對話的多個輸入-輸出對合并成單個樣本，用 [EOS] 間隔。
• 然后，將所有的數(shù)據(jù)按照長度排序。
• 最后，從最長的樣本開始 Packing，將連續(xù)的幾個樣本打包，如果加上某個樣本后總長度超過 Max Sequence Length，則放棄這個樣本，補(bǔ)充 [PAD] Token 并開始一個新的序列。
• Random Packing：
• 首先，將所有訓(xùn)練樣本拼接為一個單一的序列，同樣會使用 [EOS] Token 間隔。
• 然后，按照 Max Sequence Length 將序列截斷。?

3.2 優(yōu)劣

Padding 方案的優(yōu)勢和劣勢：

• 優(yōu)勢：

實(shí)現(xiàn)簡單，任何框架都比較容易實(shí)現(xiàn)。

簡單的 Padding 和截斷可以避免變長序列引申出的各種計算錯誤或性能問題。

• 劣勢：
• 如果 Padding 太多，會導(dǎo)致計算量明顯增加，并且對訓(xùn)練沒有任何幫助。（PS：其實(shí)很多框架都支持變長計算，比如 FlashAttention，識別出 Padding 的 Token 可以不參與計算）

Random Packing 方案的優(yōu)勢和劣勢：

• 優(yōu)勢：

可以最大限度減少未使用的空間（Token），從而提升計算效率。

可以提供更廣泛的上下文組合，從而提供更多元化的場景，有可能幫助提升模型的泛化能力。（也就是說不會使用 Document Level 的 Mask？）

• 劣勢：
• 可能導(dǎo)致兩個不同或相似的樣本串聯(lián)，可能導(dǎo)致模型過度忽略或依賴上下文。不過作者提到這并不會導(dǎo)致模型過度關(guān)注 Packing 的上下文，主要是兩個原因：

Random Packing 導(dǎo)致兩個相似訓(xùn)練樣本打包在一起的概率非常低。

特殊 Token [EOS] 可以有效地幫助模型區(qū)分兩個相鄰的訓(xùn)練樣本。（PS：是否可以通過驗(yàn)證 Attention Score 來判斷是否真的如此？）

• 這種方法也可能導(dǎo)致單個對話中的不同輪次被劃分到了不同的子序列中，比如 Figure 1 中的 (Instruction 1 + Answer 1) 和 (Instruction 2 + Answer 2) 被劃分到不同序列中

Greedy Packing 方案的優(yōu)勢和劣勢：

• 優(yōu)勢：

可以降低將一個多輪對話樣本劃分到不同序列的風(fēng)險。

• 劣勢：
• 需要對整個樣本排序，會打亂樣本分布的隨機(jī)性，也會影響一個 Batch 中樣本的多樣性。

PS：上述 Greedy Packing 方案也有可以改進(jìn)的地方，作者的 Packing 方法中會優(yōu)先使用當(dāng)前更長的序列來拼接，如果超過 Max Sequence Length 就直接結(jié)束，這也就導(dǎo)致更多的短上下文樣本無法利用這一部分空間。比如說，Max Sequence Length 為 2048，當(dāng)前已拼接的序列長度為 1800，需要 Padding 248 個 Token，假設(shè)下一個樣本的長度為 300，則會直接結(jié)束；然而，當(dāng)前還有大量長度小于 248 的 Token 可以被拼接。

四、實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)配置

包含 4 個 SFT 數(shù)據(jù)集：

• WildChat(GPT-4)：WildChat 是用戶訪問 ChatGPT 或者 GPT-4 生成的數(shù)據(jù)。這里作者只選擇了 GPT-4 相關(guān)數(shù)據(jù)，包含 69K 個真實(shí)世界的數(shù)據(jù)。
• TULU：包含 326K 個對話數(shù)據(jù)集，也是來自真實(shí)世界。
• WildChat(Full)：來自 WildChat 的全量 652K 數(shù)據(jù)。
• Open-Source 1M：總共包含 1.2M 對話數(shù)據(jù)，來自多個數(shù)據(jù)源。如下圖 Table 1 所示。?

訓(xùn)練配置如下圖 Table 2 所示，主要是基于 LLaMA-3-8B 和 LLaMA-3-70B 微調(diào)，訓(xùn)練是在 4 臺機(jī)器，每臺集群 8 個 A800 GPU：

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如下圖 Table 3 和 Table 4 所示，作者使用各種模型和數(shù)據(jù)集驗(yàn)證，Packing 的平均性能會比 Padding 的更好。比如 LLaMA-3-70B 上微調(diào) WildChat（GPT-4）數(shù)據(jù)集，Padding 對應(yīng)平均性能為 61.96，而 Packing 對應(yīng)為 65.97（Random Packing）。

PS：上述的結(jié)論有點(diǎn)奇怪，智譜 AI 在 [2401.18058] LongAlign: A Recipe for Long Context Alignment of Large Language Models 中的實(shí)驗(yàn)表明，短序列任務(wù)上的差異并不明顯，而在長序列上甚至 Packing 會導(dǎo)致指標(biāo)下降。當(dāng)然，LongAlign 使用了 Document Level 的 Mask，實(shí)際上 Meta LLaMA 等論文也建議在微調(diào)時使用 Document Level Mask。

如下圖 Table 5 所示，使用 Packing 的方案確實(shí)可以有效提升訓(xùn)練速度，可以實(shí)現(xiàn) 3x 左右的加速，主要是 Packing 后 Padding 少了很多，訓(xùn)練的 Step 數(shù)少了很多：

上述結(jié)論也與智譜 AI 在 [2401.18058] LongAlign: A Recipe for Long Context Alignment of Large Language Models 中的結(jié)論類似，如下圖 Figure 5 所示：

五、參考鏈接

1. https://arxiv.org/abs/2410.08081
2. https://arxiv.org/abs/2401.18058

本文轉(zhuǎn)載自 ??AI閑談??，作者： AI閑談