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随着模型规模的不断扩大，微调模型的所有参数（所谓full fine-tuning）的可行性变得越来越低。以GPT-3的175B参数为例，每增加一个新领域就需要完整微调一个新模型，代价和成本很高。

为解决微调大规模语言模型到不同领域和任务的挑战，已有多种方案，比如部分微调、使用adapters和prompting。但这些方法存在如下问题：

• Adapters引入额外的推理延迟 (由于增加了模型层数)
• Prefix-Tuning难于训练，且预留给prompt的序列挤占了下游任务的输入序列空间，影响模型性能

Adapter Layers

在transformer block后面添加参数很少的层或者norm层。这样做，虽然tuning时要更新的参数少了，但由于加了网络深度，对于latency不友好。 

Prompt tuning/Prefix tuning

这个方法，一是很难优化，二是会降低下游能处理的序列长度。 Prefix-Tuning难于训练，模型性能也并非总是稳步提升。预留一些sequence做adaption会让处理下游任务的可用sequence长度变少，一定程度上会影响模型性能。

[参数有效性学习-Adapter和Prefix-Tuning   以及   UniPELT框架https://wjn1996.blog.csdn.net/article/details/120607050#t16]

LoRA的思路

paper：Armen Aghajanyan的Intrinsic Dimensionality Explains the Effectiveness of Language Model Fine-Tuning. 
这篇文章尝试去回答一个问题：为什么用几千几百条样本就能去finetune一个百万量级的模型。
答案是：We empirically show that common pre-trained models have a very low intrinsic dimension; in other words, there exists a low dimension reparameterization that is as effective for fine-tuning as the full parameter space。即只有一些关键维度对finetune起效果。

这篇文章的作者还做了个实验：by optimizing only 200 trainable parameters randomly projected back into the full space, we can tune a RoBERTa model to achieve 90% of the full parameter performance levels on MRPC.将原始权重映射到一个很小的子集再映射回去，依然能训得很好。作者猜想：只需要更新低秩矩阵，在节省大量资源和时间的情况下，仍能获得不错的tuning效果。

考虑OpenAI对GPT模型的认知，GPT的本质是对训练数据的有效压缩，从而发现数据内部的逻辑与联系，LoRA的思想与之有相通之处，原模型虽大，但起核心作用的参数是低秩的，通过增加旁路，达到四两拨千斤的效果。

LoRA的思想也很简单，在原始PLM旁边增加一个旁路，做一个降维再升维的操作，来模拟所谓的 intrinsic rank 。训练的时候固定PLM的参数，只训练降维矩阵A与升维矩阵B。而模型的输入输出维度不变，输出时将BA与PLM的参数叠加。

用随机高斯分布初始化A，用0矩阵初始化B，保证训练的开始此旁路矩阵依然是0矩阵。

哪些参数应用LoRA

1 LoRA 已经被作者打包到了loralib中：pip install loralib
可以选择用loralib中实现的对应层来替换一些层。目前loralib只支持 nn.Linear、nn.Embedding 和 nn.Conv2d。

2 LoRA与Transformer的结合也很简单：可应用在attention层的 W_q, W_k, W_v, W_o 中的一个或多个。仅在QKV attention的计算中增加一个旁路，而不动MLP模块：We limit our study to only adapting the attention weights for downstream tasks and freeze the MLP modules (so they are not trained in downstream tasks) both for simplicity and parameter-efficiency.

对一个参数用比较大的rank更新，不如对多个参数用很小的rank更新，证明low_rank更新的合理性。

WHAT IS THE OPTIMAL RANK r FOR LORA?

 关于∆W

1, ∆W has a stronger correlation with W compared to a random matrix, indicating that ∆W amplifies some features that are already in W.
2,instead of repeating the top singular directions of W, ∆W only amplifies directions that are not
emphasized in W. 
3, the amplification factor is rather huge: 21.5 ≈ 6.91/0.32 for r = 4.

参数减少量

On GPT-3 175B, we reduce the VRAM consumption during training from 1.2TB to 350GB.
With r = 4 and only the query and value projection matrices being adapted, the checkpoint size is reduced by roughly 10,000× (from 350GB to 35MB). (We still need the 350GB model during deployment; however, storing 100 adapted models only requires 350GB + 35MB * 100 ≈ 354GB as opposed to 100 * 350GB ≈ 35TB.)

两种部署方法

方法1：将pretrained checkpoint统一部署，将为了特定任务训练的 BA 单独部署。这样做，当下游任务很多时，存储空间不会增加很多。
方法2：将W_0+BA的值直接算出来部署，此时和pretrained模型具有一样的参数量和latency。在生产环境部署时，LoRA可以不引入推理延迟，只需要将预训练模型参数 W0 与LoRA参数进行合并（也就是所谓的模型合并）即可得到微调后的模型参数： W=W0+BA ，在生产环境中像以前一样进行推理，即微调前计算 h=W0x ，现在计算 h=Wx ，没有额外延迟。现在不少模型仅发布LoRA权重，需要本地与基模型进行模型合并才能使用的原理就在于此。

from:https://blog.csdn.net/pipisorry/article/details/130978244

ref: [LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models]

[LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models 简读 - 知乎]**

代码： GitHub - microsoft/LoRA: Code for loralib

[微软LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models 代码解读 - 知乎]