在灾难推文分析场景上比较用 LoRA 微调 Roberta、Llama 2 和 Mistral 的过程及表现

引言

自然语言处理 (NLP) 领域的进展日新月异，你方唱罢我登场。因此，在实际场景中，针对特定的任务，我们经常需要对不同的语言模型进行比较，以寻找最适合的模型。本文主要比较 3 个模型: RoBERTa、Mistral-7B 及 Llama-2-7B。我们用它们来解决一个常见问题 —— 对灾难相关的推文进行分类。值得注意的是，Mistral 和 Llama 2 是 70 亿参数的大模型。相形之下，RoBERTa-large (355M 参数) 只是一个小模型，我们用它作为比较的基线。

本文，我们使用 PEFT (Parameter-Efficient Fine-Tuning，参数高效微调) 技术: LoRA (Low-Rank Adaptation，低秩适配) 来微调带序列分类任务头的预训练模型。LoRA 旨在显著减少可训参数量，同时保持强大的下游任务性能。

本文的主要目标是通过对 Hugging Face 的三个预训练模型进行 LoRA 微调，使之适用于序列分类任务。这三个预训练模型分别是: meta-llama/Llama-2-7b-hf、mistralai/Mistral-7B-v0.1 及 roberta-large。

使用的硬件

• 节点数: 1
• 每个节点的 GPU 数: 1
• GPU 类型: A6000
• GPU 显存: 48GB

目标

• 使用 LoRA PEFT 方法对预训练 LLM 进行微调。
• 了解如何使用 Hugging Face 的各种 API (transformers、peft 以及 datasets)。
• 使用 Weights & Biases 进行超参调优以及实验日志记录。

软件依赖

datasets
evaluate
peft
scikit-learn
torch
transformers
wandb

注意: 要准确重现本文结果，请注意确保软件版本与 wandb 报告 的一致。

预训练模型

RoBERTa

RoBERTa (Robustly Optimized BERT Approach) 是 Meta AI 研究团队提出的改进版 BERT 模型。BERT 是一种基于 transformer 的语言模型，其基于自注意力机制对单词进行上下文感知的表征，并基于掩码语言模型目标进行训练。请注意，BERT 作为编码器模型，仅可用于自然语言理解任务 (例如序列分类和词元分类)。

RoBERTa 是一种流行的可微调模型，很适合作为我们实验的基线。欲了解更多信息，你可以查阅其 Hugging Face 模型卡。

Llama 2

Llama 2 (Large Language Model Meta AI) 是 Meta AI 推出的一系列大语言模型 (LLM)，其模型大小各异，参数量从 70 亿到 650 亿不等。

Llama 2 是一种基于 transformer 解码器架构的自回归语言模型。Llama 2 接受单词序列作为输入，并基于滑动窗口迭代预测下一个词元，从而实现文本生成的功能。

Llama 2 的架构与 GPT-3 等模型略有不同。举几个例子，Llama 2 采用 SwiGLU 激活函数而不是 ReLU，另外其位置嵌入使用的是旋转位置嵌入而不是可训绝对位置嵌入。

最近发布的 Llama 2 还对架构进行了改进，其将支持的最大上下文长度扩展到 4096 个词元，并使用分组查询注意 (grouped-query attention，GQA) 解码机制来更好地利用长序列。

Mistral 7B

Mistral 7B v0.1 有 73 亿个参数，是 Mistral AI 推出的第一个 LLM。

Mistral 7B 架构使用的新技术主要有:

• 滑窗注意力: 用基于滑动窗口的注意力替换完整注意力 (平方级计算成本)，其中每个词元最多可以关注上一层的 4096 个词元 (线性计算成本)。这样，多层以后，Mistral 7B 的实际关注词元数会叠加，因此更高层的注意力实际关注的总历史词元数会超过 4096。
• 分组查询注意力: Llama 2 也使用了该技术，其通过缓存先前解码的词元的键向量和值向量来优化推理过程 (减少处理时间)。

LoRA

PEFT (Parameter Efficient Fine-Tuning，参数高效微调) 包含 p-tuning、前缀微调 (prefix-tuning) 、IA3、适配器微调以及 LoRA 等一系列技术，其旨在通过仅微调大模型的一个小参数集，就能达到全模型微调的性能水平。

LoRA (Low-Rank Adaptation，低阶适配) 的方法与添加适配层类似。其主要目标是减少模型的可训参数量。LoRA 的主要做法是冻结预训练权重，仅更新一个新增的低秩矩阵。

环境设置

RoBERTa 支持的最大序列长度为 512，为公平起见，对所有模型，我们统一设定 MAX_LEN=512 。

MAX_LEN = 512
roberta_checkpoint = "roberta-large"
mistral_checkpoint = "mistralai/Mistral-7B-v0.1"
llama_checkpoint = "meta-llama/Llama-2-7b-hf"

数据准备

数据加载

从 Hugging Face 加载数据集:

from datasets import load_dataset
dataset = load_dataset("mehdiiraqui/twitter_disaster")

将数据集分为训练集和验证集，同时加载测试集:

from datasets import Dataset
# 将数据集的训练集划分为训练集和验证集
data = dataset['train'].train_test_split(train_size=0.8, seed=42)
# 把划分而得的测试集重命名为验证集
data['val'] = data.pop("test")
# 将原数据集的测试集仍作为测试集
data['test'] = dataset['test']

以下是数据集概览:

DatasetDict({
    train: Dataset({
        features: ['id', 'keyword', 'location', 'text', 'target'],
        num_rows: 6090
    })
    val: Dataset({
        features: ['id', 'keyword', 'location', 'text', 'target'],
        num_rows: 1523
    })
    test: Dataset({
        features: ['id', 'keyword', 'location', 'text', 'target'],
        num_rows: 3263
    })
})

首先，检查一下数据分布:

import pandas as pd

data['train'].to_pandas().info()
data['test'].to_pandas().info()

• 训练集

RangeIndex: 7613 entries, 0 to 7612
Data columns (total 5 columns):
 # Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- -----
 0 id 7613 non-null int64
 1 keyword 7552 non-null object
 2 location 5080 non-null object
 3 text 7613 non-null object
 4 target 7613 non-null int64
dtypes: int64(2), object(3)
memory usage: 297.5+ KB

• 测试集

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3263 entries, 0 to 3262
Data columns (total 5 columns):
 # Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- -----
 0 id 3263 non-null int64
 1 keyword 3237 non-null object
 2 location 2158 non-null object
 3 text 3263 non-null object
 4 target 3263 non-null int64
dtypes: int64(2), object(3)
memory usage: 127.6+ KB

训练集中标签分布情况:

target
0 4342
1 3271
Name: count, dtype: int64

由于类别不平衡，我们计算一下正负类权重，以用于稍后的损失计算:

pos_weights = len(data['train'].to_pandas()) / (2 * data['train'].to_pandas().target.value_counts()[1])
neg_weights = len(data['train'].to_pandas()) / (2 * data['train'].to_pandas().target.value_counts()[0])

计算出的权重为:

POS_WEIGHT, NEG_WEIGHT = (1.1637114032405993, 0.8766697374481806)

接着，我们计算文本序列的最大长度:

# 字符数
max_char = data['train'].to_pandas()['text'].str.len().max()
# 词数
max_words = data['train'].to_pandas()['text'].str.split().str.len().max()

The maximum number of characters is 152.
The maximum number of words is 31.

数据处理

以一条训练数据为例:

data['train'][0]

{'id': 5285,
 'keyword': 'fear',
 'location': 'Thibodaux, LA',
 'text': 'my worst fear. https://t.co/iH8UDz8mq3',
 'target': 0}

该数据中包括关键字、位置和推文。为了简单起见，我们选择 text 特征作为 LLM 的唯一输入。

本阶段的目标是为 LLM 微调准备所需的 Hugging Face 格式的训练集、验证集和测试集。然后是定义用于训练的词元数据集，使用合适的分词器将 text 特征转换为词元 id 和注意力掩码序列这两个张量。由于每个模型都有其特定的分词器，因此我们需要生成三个不同的数据集，每个模型一个。

我们首先定义 RoBERTa 模型的数据加载器:

• 加载与分词:

from transformers import AutoTokenizer
roberta_tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(roberta_checkpoint, add_prefix_space=True)

注意: RoBERTa 分词器经过训练已将空格视为词元的一部分。因此，如果句子的第一个单词前面没有空格，则其编码会有所不同。为了确保第一个单词包含空格，我们设置 add_prefix_space=True 。同时，为了保持三个模型的预处理一致，我们将 Llama 2 和 Mistral 7B 的相应参数也设为 True 。

• 定义每条数据的预处理函数:

def roberta_preprocessing_function(examples):
    return roberta_tokenizer(examples['text'], truncation=True, max_length=MAX_LEN)

将预处理函数应用于训练数据集的第一条数据，我们得到了分词后的输入 ( input_ids ) 及其注意力掩码:

roberta_preprocessing_function(data['train'][0])

{'input_ids': [0, 127, 2373, 2490, 4, 1205, 640, 90, 4, 876, 73, 118, 725, 398, 13083, 329, 398, 119, 1343, 246, 2], 'attention_mask': [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]}

• 现在，将预处理函数应用于整个数据集:

col_to_delete = ['id', 'keyword','location', 'text']
# 删除不需要的列，并应用预处理函数
roberta_tokenized_datasets = data.map(roberta_preprocessing_function, batched=True, remove_columns=col_to_delete)
# 按照 HuggingFace 的要求，将 `target` 列  重命名为 `label` 列
roberta_tokenized_datasets = roberta_tokenized_datasets.rename_column("target", "label")
# 数据集格式设为 "torch"
roberta_tokenized_datasets.set_format("torch")

注意: 我们从数据中删除了不需要的列: id 、 keyword 、 location 及 text 。删除 text 的原因是我们已经将其转换为输入 id 和注意力掩码:

分词后的训练数据集中的数据如下:

roberta_tokenized_datasets['train'][0]

{'label': tensor(0),
 'input_ids': tensor([ 0, 127, 2373, 2490, 4, 1205, 640, 90, 4, 876,
            73, 118, 725, 398, 13083, 329, 398, 119, 1343, 246,
             2]),
 'attention_mask': tensor([1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1])}

• 为了生成训练 batch 数据，我们还需要对给定 batch 中的序列进行填充，以使 batch 中所有序列的长度都等于本 batch 最长序列的长度。为此，我们使用了 DataCollatorWithPadding 类:

# 数据整理器将所有数据统一填充至 batch 内最长序列的长度
from transformers import DataCollatorWithPadding
roberta_data_collator = DataCollatorWithPadding(tokenizer=roberta_tokenizer)

用相同的流程为 Mistral 7B 和 Llama 2 模型准备数据:

注意 Llama 2 和 Mistral 7B 没有默认的 pad_token_id ，我们将其设为 eos_token_id 。

• Mistral 7B:

# 加载 Mistral 7B 分词器
from transformers import AutoTokenizer, DataCollatorWithPadding
mistral_tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(mistral_checkpoint, add_prefix_space=True)
mistral_tokenizer.pad_token_id = mistral_tokenizer.eos_token_id
mistral_tokenizer.pad_token = mistral_tokenizer.eos_token

def mistral_preprocessing_function(examples):
    return mistral_tokenizer(examples['text'], truncation=True, max_length=MAX_LEN)

mistral_tokenized_datasets = data.map(mistral_preprocessing_function, batched=True, remove_columns=col_to_delete)
mistral_tokenized_datasets = mistral_tokenized_datasets.rename_column("target", "label")
mistral_tokenized_datasets.set_format("torch")

# 序列填充
mistral_data_collator = DataCollatorWithPadding(tokenizer=mistral_tokenizer)

• Llama 2:

# 加载 Llama 2 分词器
from transformers import AutoTokenizer, DataCollatorWithPadding
llama_tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(llama_checkpoint, add_prefix_space=True)
llama_tokenizer.pad_token_id = llama_tokenizer.eos_token_id
llama_tokenizer.pad_token = llama_tokenizer.eos_token

def llama_preprocessing_function(examples):
    return llama_tokenizer(examples['text'], truncation=True, max_length=MAX_LEN)

llama_tokenized_datasets = data.map(llama_preprocessing_function, batched=True, remove_columns=col_to_delete)
llama_tokenized_datasets = llama_tokenized_datasets.rename_column("target", "label")
llama_tokenized_datasets.set_format("torch")

# 序列填充
llama_data_collator = DataCollatorWithPadding(tokenizer=llama_tokenizer)

至此，我们已经准备好了分词后的数据集，下一节我们将讨论如何加载预训练 LLM 检查点以及如何设置 LoRA 权重。

模型

RoBERTa

为分类任务加载 RoBERTa 检查点

我们使用 Hugging Face AutoModelForSequenceClassification 类加载带有序列分类头的预训练 RoBERTa 模型:

from transformers import AutoModelForSequenceClassification
roberta_model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(roberta_checkpoint, num_labels=2)

RoBERTa 分类器的 LoRA 设置

我们为 RoBERTa 分类器设置 LoRA 参数:

• TaskType: 序列分类
• r(rank): 分解矩阵的秩
• lora_alpha: 用于对习得权重进行缩放的 alpha 参数。LoRA 论文建议将 alpha 固定为 16
• lora_dropout: LoRA 层的 Dropout 概率
• bias: 是否向 LoRA 层添加偏置

以下代码使用了 LoRA 论文 的推荐设置。后文 我们还将用 wandb 对这些超参进行调优。

from peft import get_peft_model, LoraConfig, TaskType
roberta_peft_config = LoraConfig(
    task_type=TaskType.SEQ_CLS, r=2, lora_alpha=16, lora_dropout=0.1, bias="none",
)
roberta_model = get_peft_model(roberta_model, roberta_peft_config)
roberta_model.print_trainable_parameters()

可以看到，可训参数量仅占 RoBERTa 模型参数量的 0.64%:

trainable params: 2,299,908 || all params: 356,610,052 || trainable%: 0.6449363911929212

Mistral

为分类任务加载检查点

加载带有序列分类头的预训练 Mistral-7B 模型:

from transformers import AutoModelForSequenceClassification
import torch
mistral_model =  AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(
  pretrained_model_name_or_path=mistral_checkpoint,
  num_labels=2,
  device_map="auto"
)

设置填充词元 id，因为 Mistral 7B 没有默认填充词元。

mistral_model.config.pad_token_id = mistral_model.config.eos_token_id

Mistral 7B 分类器的 LoRA 设置

对 Mistral 7B 模型而言，我们需要指定 target_modules (我们将其指定为注意力模块的查询向量映射层和值向量映射层):

from peft import get_peft_model, LoraConfig, TaskType

mistral_peft_config = LoraConfig(
    task_type=TaskType.SEQ_CLS, r=2, lora_alpha=16, lora_dropout=0.1, bias="none",
    target_modules=[
        "q_proj",
        "v_proj",
    ],
)

mistral_model = get_peft_model(mistral_model, mistral_peft_config)
mistral_model.print_trainable_parameters()

可训参数量仅占 Mistral 模型参数量的 0.024%:

trainable params: 1,720,320 || all params: 7,112,380,416 || trainable%: 0.02418768259540745

Llama 2

为分类任务加载检查点

加载带有序列分类头的预训练 Llama 2 模型。

from transformers import AutoModelForSequenceClassification
import torch
llama_model =  AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(
  pretrained_model_name_or_path=llama_checkpoint,
  num_labels=2,
  device_map="auto",
  offload_folder="offload",
  trust_remote_code=True
)

设置填充词元 id，因为 Llama 2 没有默认填充词元。

llama_model.config.pad_token_id = llama_model.config.eos_token_id

Llama 2 分类器的 LoRA 设置

使用与 Mistral 相同的 LoRA 参数:

from peft import get_peft_model, LoraConfig, TaskType
llama_peft_config = LoraConfig(
    task_type=TaskType.SEQ_CLS, r=16, lora_alpha=16, lora_dropout=0.05, bias="none",
    target_modules=[
        "q_proj",
        "v_proj",
    ],
)

llama_model = get_peft_model(llama_model, llama_peft_config)
llama_model.print_trainable_parameters()

可训参数量仅占 Llama 2 模型参数量的 0.12%:

trainable params: 8,404,992 || all params: 6,615,748,608 || trainable%: 0.1270452143516515

至此，我们定义了用于训练的词元数据集及 LoRA 设置。下面，我们介绍如何使用 Hugging Face 的 Trainer 类启动训练。

设置 Trainer

评估指标

首先，我们定义用于对三个模型的性能进行比较的指标: F1 分数、召回率、精确度和准确度:

import evaluate
import numpy as np

def compute_metrics(eval_pred):
    # HF `evaluate` 包已支持我们所要的所有指标
    precision_metric = evaluate.load("precision")
    recall_metric = evaluate.load("recall")
    f1_metric= evaluate.load("f1")
    accuracy_metric = evaluate.load("accuracy")

    logits, labels = eval_pred
    # eval_pred 是模型返回的预测值和实际值元组
    predictions = np.argmax(logits, axis=-1)
    precision = precision_metric.compute(predictions=predictions, references=labels)["precision"]
    recall = recall_metric.compute(predictions=predictions, references=labels)["recall"]
    f1 = f1_metric.compute(predictions=predictions, references=labels)["f1"]
    accuracy = accuracy_metric.compute(predictions=predictions, references=labels)["accuracy"]

    # `Trainer` 要求将指标组织为一个字典，其键为指标名，值为分数。
    return {"precision": precision, "recall": recall, "f1-score": f1, 'accuracy': accuracy}

基于加权损失的自定义 Trainer

前文提到，数据集正负类分布并不平衡。因此，我们用加权交叉熵损失来训练模型以解决这个问题。Trainer 类本身的实现中不支持自定义损失，因为它期望直接从模型的输出中获取损失。

因此，我们需要定义一个自定义的 WeightedCELossTrainer ，以重写 compute_loss 方法，该方法可以根据模型的预测和标签计算加权交叉熵损失:

from transformers import Trainer

class WeightedCELossTrainer(Trainer):
    def compute_loss(self, model, inputs, return_outputs=False):
        labels = inputs.pop("labels")
        # Get model's predictions
        outputs = model(**inputs)
        logits = outputs.get("logits")
        # Compute custom loss
        loss_fct = torch.nn.CrossEntropyLoss(weight=torch.tensor([neg_weights, pos_weights], device=model.device, dtype=logits.dtype))
        loss = loss_fct(logits.view(-1, self.model.config.num_labels), labels.view(-1))
        return (loss, outputs) if return_outputs else loss

Trainer 设置

我们为三个模型分别设置训练超参及训练器。

RoBERTa

第一步，把模型搬到 GPU 设备上。

roberta_model = roberta_model.cuda()
roberta_model.device()

It will print the following:

device(type='cuda', index=0)

然后，设置训练超参:

from transformers import TrainingArguments

lr = 1e-4
batch_size = 8
num_epochs = 5

training_args = TrainingArguments(
    output_dir="roberta-large-lora-token-classification",
    learning_rate=lr,
    lr_scheduler_type= "constant",
    warmup_ratio= 0.1,
    max_grad_norm= 0.3,
    per_device_train_batch_size=batch_size,
    per_device_eval_batch_size=batch_size,
    num_train_epochs=num_epochs,
    weight_decay=0.001,
    evaluation_strategy="epoch",
    save_strategy="epoch",
    load_best_model_at_end=True,
    report_to="wandb",
    fp16=False,
    gradient_checkpointing=True,
)

最后，我们将模型、训练超参和词元数据集一起作为参数来实例化一个 RoBERTa 训练器:

roberta_trainer = WeightedCELossTrainer(
    model=roberta_model,
    args=training_args,
    train_dataset=roberta_tokenized_datasets['train'],
    eval_dataset=roberta_tokenized_datasets["val"],
    data_collator=roberta_data_collator,
    compute_metrics=compute_metrics
)

Mistral-7B

与 RoBERTa 类似，我们用如下代码初始化 WeightedCELossTrainer :

from transformers import TrainingArguments, Trainer

mistral_model = mistral_model.cuda()

lr = 1e-4
batch_size = 8
num_epochs = 5

training_args = TrainingArguments(
    output_dir="mistral-lora-token-classification",
    learning_rate=lr,
    lr_scheduler_type= "constant",
    warmup_ratio= 0.1,
    max_grad_norm= 0.3,
    per_device_train_batch_size=batch_size,
    per_device_eval_batch_size=batch_size,
    num_train_epochs=num_epochs,
    weight_decay=0.001,
    evaluation_strategy="epoch",
    save_strategy="epoch",
    load_best_model_at_end=True,
    report_to="wandb",
    fp16=True,
    gradient_checkpointing=True,
)

mistral_trainer = WeightedCELossTrainer(
    model=mistral_model,
    args=training_args,
    train_dataset=mistral_tokenized_datasets['train'],
    eval_dataset=mistral_tokenized_datasets["val"],
    data_collator=mistral_data_collator,
    compute_metrics=compute_metrics
)

注意，我们需要将 fp16 设为 True 以启用半精度训练。主要原因是 Mistral-7B 很大，如果使用 fp32 精度，其权重无法放进单块 GPU 的显存 (48GB) 中。

Llama 2

与 Mistral 7B 类似，我们用如下代码定义训练器:

from transformers import TrainingArguments, Trainer

llama_model = llama_model.cuda()

lr = 1e-4
batch_size = 8
num_epochs = 5
training_args = TrainingArguments(
    output_dir="llama-lora-token-classification",
    learning_rate=lr,
    lr_scheduler_type= "constant",
    warmup_ratio= 0.1,
    max_grad_norm= 0.3,
    per_device_train_batch_size=batch_size,
    per_device_eval_batch_size=batch_size,
    num_train_epochs=num_epochs,
    weight_decay=0.001,
    evaluation_strategy="epoch",
    save_strategy="epoch",
    load_best_model_at_end=True,
    report_to="wandb",
    fp16=True,
    gradient_checkpointing=True,
)

llama_trainer = WeightedCELossTrainer(
    model=llama_model,
    args=training_args,
    train_dataset=llama_tokenized_datasets['train'],
    eval_dataset=llama_tokenized_datasets["val"],
    data_collator=llama_data_collator,
    compute_metrics=compute_metrics
)

超参调优

我们用 Wandb Sweep API 通过贝叶斯搜索策略来进行超参调优 (30 次运行)，待调优的超参搜索空间如下:

欲了解更多信息，可以查看 资源 一节中的 Wandb 实验报告。

结果

总结

本文我们用 LoRA 对三个大语言模型 (LLM) (RoBERTa、Mistral 7B 及 Llama 2) 针对灾难推文分类任务进行微调。从性能结果来看，RoBERTa 的性能大幅优于 Mistral 7B 和 Llama 2。这就提出了一个问题: 我们是否真的需要一个大而复杂的 LLM 来完成诸如短序列二分类这样的简单任务？

一个重要的启示是，在选择要使用的 LLM 模型时应该考虑具体的项目要求、可用资源和性能需求。

此外，对于针对短序列的相对 简单 的预测任务，小的基础模型 (例如 RoBERTa) 仍然具有竞争力。

最后，我们还通过例子展示了 LoRA 方法的通用性，其既可应用于编码器 (RoBERTa) 模型，还可应用于解码器 (Llama 2 及 Mistral 7B) 模型。

资源

1. 本文代码均已在该 Github 项目。
2. 下面是各模型的 Wandb 超参调优实验报告:

• RoBERTa
• Mistral 7B
• Llama 2

🤗 宝子们可以戳 阅读原文 查看文中所有的外部链接哟！

英文原文: https://hf.co/blog/Lora-for-sequence-classification-with-Roberta-Llama-Mistral

原文作者: Mehdi Iraqi

译者: Matrix Yao (姚伟峰)，英特尔深度学习工程师，工作方向为 transformer-family 模型在各模态数据上的应用及大规模模型的训练推理。