论文笔记--Baichuan 2: Open Large-scale Language Models

1. 文章简介

• 标题：Baichuan 2: Open Large-scale Language Models
• 作者：Aiyuan Yang et al.
• 日期：2023
• 期刊：arxiv preprint

2. 文章概括

   文章提出了百川2开源大模型，在MMLU、GSM8K等benchmarks上超过了现有的开源模型表现，特别地，百川2在医疗、法律等垂域上表现亮眼。百川2模型包括Baichuan 2-7B 和Baichuan 2-13B 和两个不同大小模型，可以供不同需求、不同预算的研究使用，两个模型的区别如下表所示。

3 文章重点技术

3.1 预训练

3.1.1 预训练数据

  百川2尝试去提高数据的规模和代表性，为此，文章从网页、数据、研究论文、代码等不同来源构建尽可能丰富的预训练数据。下图为百川2的预训练数据分布情况

  百川2希望模型可以接收尽可能高质量的数据集，为此，文章构建了高效的聚类和去重系统。如下图所示，百川2的数据处理程序分为：

• Exact deduplication：完全相同的重复数据剔除
• Heuristic approach：一些启发式的算法（文章并没有提到具体方法）
• Sent-wise quality filter：句子级别的质量过滤（maybe 过滤一些广告、tag之类的，然后再对过滤后的句子、段落去重一遍）
• Sent-wise, paragraph-wise deduplication：句子、段落级别的去重
• Document deduplication：文档级别的去重
  

3.1.2 模型架构

• 分词器：为了构建一个大小合适且压缩率高的分词器，文章将词表大小从百川1的64000扩充到125695。分词方法为BPE。特别地，为了更好地处理数字，百川2将数字分隔为单个的digit；为了更高地处理代码，百川2在分词器中增加了空格tokens（单个空格、多个空格分别为一个token？）
• 位置编码：百川2选择采用AliBi编码，该方法相比于RoPE编码方法表现更好。
• 激活函数：百川2使用SwiGLU作为激活函数。SwiGLU是当下一些LLMs（PALM，LLaMA等）倾向选择的一种激活函数。由于SwiGLU相当于两个线性变换（其中一个加了Swi函数）的乘积，前馈层SwiFFN包含了三个参数矩阵$(Swish(x{W}_1)\times xV)W_2$，为了保持相同的计算量，我们将隐藏层的尺寸从4倍隐藏层大小缩减到8/3倍隐藏层大小（缩减到原来的2/3，这样三个参数的计算量为2/3*3=2，基本和原来2个矩阵的计算量持平），再近似到128的倍数。
• Optimization：文章采用AdamW为优化器
• NormHead：文章做了数值实验发现通过使用NormHead，即正则output层（heads），训练动态过程可以更加稳定，此外文章发现语义信息主要由cosine相似度$\frac{<a,b>}{\Vert a{\Vert }_2\Vert b{\Vert }_2}$进行度量，但线性层是通过计算点积$<a,b>$进行计算的，两者之间相差了$a,b$的L2范数，从而通过对输出层进行L2正则，我们可以有效地减轻L2距离对语义信息的影响。
• Max-z loss：文章发现训练过程中，LLMs的logits可能变得非常大，而softmax很容易被这些非常大的logits所影响。为此，一些研究选择采用惩罚项来对太大的logits进行惩罚，比如repetition penalty，但这样可能会扭曲最后生成的概率。文章类似PALM，增加一项max-z loss来对logits进行正则：$${\mathcal{L}}_{max-z}=2e^{-4}\ast z^2$$，其中$z$表示logits的最大值，即logits最大值越大，损失$\mathcal{L}={\mathcal{L}}_0+{\mathcal{L}}_{max-z}$越大，从而起到对太大的logits的惩罚作用
• Scaling Laws：当数据规模、模型大小或者两者增加时，模型的error会降低，这就是大名鼎鼎的Scaling law。文章通过训练从10M到3B的不同代奥的模型，得到了拟合比较好的Scaling Law曲线，且该曲线可以比较精准地预测参数量为7B/13B的error：
  

3.2 对齐

3.2.1 SFT

  在SFT阶段，百川2请人类标注员对不同来源的prompts进行标注，每个prompt 被标记为是否有帮助、是否无害，标注原则和Claude类似。文章收集了100k个SFT数据样本，并将这些样本在base model上进行训练，然后通过RLHF方法进一步提升结果：

3.2.2 Reward Model(RM)

  文章对所有的prompts构建了三层的分类系统：6个主要的类别，第二层为30个二级类别，第三层为200个三级类别。我们希望reward model训练的prompts尽可能覆盖每个类别，且每个类别的prompts尽可能多样。
  给定prompt，首先通过百川2不同size和不同阶段的模型产生尽可能不同的回答。这些回答被打分，然后用于reward model的训练。

3.2.3 PPO

  得到RM之后，我们采用PPO策略训练语言模型，文章采用4个模型：actor model）用于生成不同的回答，reference model（用于计算KL惩罚），reward model（提供reward），critic model（学习每个token的value）
整个RLHF的过程如下图：

3.3 安全性

  随着LLMs的发展，大模型的安全性问题越来越受到学术界和工业界的重视。为了提高百川2的安全性，文章在预训练阶段设计了一系列规则和模型确预训练数据的安全，此外，文章精心选择了中英双语攻击7百万高质量网页，在预训练数据上提升了这些网页的采样概率。
  在对齐阶段，文章设计了6种不同形式的攻击和100+安全分类，来自传统物联网安全的专家组生成200K的攻击attacks，然后通过一种监督采样方法，我们使用这些数据生成不同安全level的回答。在RL最优化结算，我们通过DPO方法提升具体问题上的表现，此外RM模型也会将helpful和harmless目标结合考虑来增强模型的安全性和帮助性。

4. 文章亮点

  文章提出了百川2-7B/13B开源大模型，模型在多个benchmarks上表现突出，在大部分测试的中文benchmarks上达到SOTA表现，且在医疗、法律等广泛应用的垂域上有显著的提升。

5. 原文传送门

Baichuan 2: Open Large-scale Language Models