機(jī)器之心發(fā)布

機(jī)器之心編輯部

火爆全網(wǎng)的 ChatGPT，仿佛開啟了第四次工業(yè)革命，讓微軟、谷歌等全球科技巨頭打得昏天黑地，引得各路玩家紛紛入局，搶占賽道。

然而由于 OpenAI 沒有開源 ChatGPT，如何有效復(fù)現(xiàn) ChatGPT 已成為擺在大家面前的頭號難題，急需可靠的開源共建方案。

Colossal-AI 快速跟進(jìn)，首個(gè)開源低成本復(fù)現(xiàn) ChatGPT 完整流程。作為當(dāng)下最火熱的開源 AI 大模型解決方案，Colossal-AI 已收獲開源社區(qū) GitHub Star 近萬顆，此次開源亮點(diǎn)包括：

• 開源完整基于 PyTorch 的 ChatGPT 復(fù)現(xiàn)流程，涵蓋全部 3 個(gè)階段，可實(shí)現(xiàn)從預(yù)訓(xùn)練模型到 ChatGPT 的蛻變；
• 體驗(yàn)最小 demo 訓(xùn)練流程最低僅需 1.62GB 顯存，任意單張消費(fèi)級 GPU 即可滿足，單卡模型容量最多提升 10.3 倍；
• 相比原生 PyTorch，最高可提升單機(jī)訓(xùn)練速度 7.73 倍，單卡推理速度 1.42 倍，一行代碼即可使用；
• 對于微調(diào)任務(wù)，可最多提升單卡的微調(diào)模型容量 3.7 倍，同時(shí)保持高速運(yùn)行，僅需一行代碼；
• 提供單卡、單機(jī)多卡、1750 億參數(shù)等多個(gè)版本，支持從 Hugging Face 導(dǎo)入 OPT，GPT-3，BLOOM 等多種預(yù)訓(xùn)練大模型；
• 收斂驗(yàn)證正在進(jìn)行中，該項(xiàng)目也在吸引合作者共建生態(tài)。

開源地址：https://github.com/HPCaitech/ColossalAI

ChatGPT——AIGC 引發(fā)的工業(yè)革命

如果問新年伊始，最火爆的科技熱點(diǎn)是什么？非 ChatGPT 莫屬。

它仿佛無所不能的六邊形戰(zhàn)士，可以聊天、寫代碼、修改 bug、做表格、發(fā)論文、寫作業(yè)、做翻譯、甚至代替 Google 搜索引擎等……

自發(fā)布以來，ChatGPT 便已摧枯拉朽之勢席卷各個(gè)行業(yè)，不僅 5 天時(shí)間便突破百萬用戶，月活用戶突破 1 億更是僅用時(shí) 2 個(gè)月，成為史上增速最快的消費(fèi)級應(yīng)用，遠(yuǎn)超如今其他知名應(yīng)用，如 Twitter 5 年、Meta（Facebook）4 年半，TikTok 9 個(gè)月等，而手機(jī)普及到 1 億用戶則用了 16 年。

1 億用戶月活用戶耗時(shí)

比爾?蓋茨盛贊 “ChatGPT 的意義不亞于 PC 和互聯(lián)網(wǎng)誕生”，而微軟 CEO 薩蒂亞?納德拉（Satya Nadella）更是直言 “堪比工業(yè)革命，這輩子第一次見這么大的技術(shù)浪潮” 和 “AI 正在重塑互聯(lián)網(wǎng)”。作為向 OpenAI 投資上百億美元的大金主，微軟已火速將 ChatGPT 整合進(jìn)自家的搜索引擎必應(yīng) Bing 和 Edge 瀏覽器，還計(jì)劃加入 Teams 以及 Office 等辦公套件全家桶，股價(jià)一夜市值飆漲超 800 億美元。

微軟與谷歌發(fā)布會后股價(jià)對比

而隔壁需要擔(dān)心被 ChatGPT 革命掉自家搜索引擎的谷歌，雖然拉響 “紅色警報(bào)”，緊急發(fā)布對標(biāo)競品 Bard，卻因 Demo 首秀翻車，股價(jià)市值瞬間蒸發(fā) 1000 億美元。

一夜之間，全球的科技巨頭們仿佛都回到了自己年輕時(shí)的樣子，紛紛宣布要打造自己的 ChatGPT。

但 ChatGPT 發(fā)布已有數(shù)月，市面上不僅沒有預(yù)訓(xùn)練權(quán)重開源，連可靠的完整開源訓(xùn)練流程都仍是空白，更無法實(shí)現(xiàn)基于千億大模型的 ChatGPT 全流程高效搭建和應(yīng)用。臨時(shí)上線，號稱 “對標(biāo) ChatGPT” 的一眾新品們，因?yàn)殚]源也難辨真?zhèn)巍?/span>

為什么 ChatGPT 有如此魔力？復(fù)現(xiàn)它又有哪些難點(diǎn)？

ChatGPT 技術(shù)分析

ChatGPT 的驚人效果，重要特征是在訓(xùn)練過程引入人類反饋強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF），使得模型表現(xiàn)更符合人類價(jià)值觀。

ChatGPT 的訓(xùn)練流程主要分為三個(gè)階段：

1. 從 Prompt 庫中采樣，收集其人工回答，利用這些數(shù)據(jù)來微調(diào)預(yù)訓(xùn)練大語言模型。

2. 從 Prompt 庫中采樣，使用大語言模型生成多個(gè)回答，人工對這些回答進(jìn)行排序后，訓(xùn)練獎(jiǎng)勵(lì)模型（RM），來擬合人類的價(jià)值判斷。

3. 基于階段 1 的監(jiān)督微調(diào)模型和階段 2 的獎(jiǎng)勵(lì)模型，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對大語言模型進(jìn)一步訓(xùn)練。

其中階段 3 是 RLHF 訓(xùn)練的核心部分，OpenAI 采用了強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的近端策略優(yōu)化算法（PPO），借此引入獎(jiǎng)勵(lì)信號，使得語言模型生成內(nèi)容更加符合人類評判標(biāo)準(zhǔn)。

RLHF 的三個(gè)階段

ChatGPT 模型的復(fù)雜性在于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的引入會帶來更多模型的調(diào)用。例如，使用基于 Actor-Critic（AC）結(jié)構(gòu)的 PPO 算法，需要在訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行 Actor、Critic 兩個(gè)模型的前向推理和反向傳播，以及監(jiān)督微調(diào)模型、獎(jiǎng)勵(lì)模型的多次前向推理。在 ChatGPT 基礎(chǔ)的 InstructGPT 的論文中，Actor 和監(jiān)督微調(diào)模型都使用了 1750 億參數(shù)的 GPT-3 系列模型，Critic 和獎(jiǎng)勵(lì)模型則使用了 60 億參數(shù)的 GPT-3 系列模型。

對于如此多的模型參數(shù)，想要啟動原始 ChatGPT 訓(xùn)練流程，需要數(shù)千 GB 的顯存開銷，顯然遠(yuǎn)超單張 GPU 的容納能力，常見的數(shù)據(jù)并行技術(shù)也無能為力。但即使引入張量并行、流水并行對參數(shù)進(jìn)行劃分，也仍需至少 64 張 80GB 的 A100 作為硬件基礎(chǔ)。并且，其中的流水并行由于 bubble 和調(diào)度復(fù)雜，效率受限，不適合 AIGC 的生成式任務(wù)。階段 3 涉及 4 個(gè)模型的復(fù)雜強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練流程，進(jìn)一步給 ChatGPT 的代碼復(fù)現(xiàn)帶來了困難和挑戰(zhàn)。

使用 Colossal-AI 低成本復(fù)現(xiàn) ChatGPT

Colossal-AI 以開源方式復(fù)現(xiàn)了 ChatGPT 訓(xùn)練的基本流程，包括階段 1 預(yù)訓(xùn)練，階段 2 的獎(jiǎng)勵(lì)模型的訓(xùn)練，以及最為復(fù)雜的階段 3 的強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練等。

同時(shí)，Colossal-AI 通過 ZeRO，Gemini, Chunk-based 內(nèi)存管理等技術(shù)，極大地降低 ChatGPT 訓(xùn)練的顯存開銷，僅需一半硬件資源即可啟動 1750 億參數(shù)模型訓(xùn)練（64 卡 ->32 卡），顯著降低應(yīng)用成本。若使用上述相同硬件資源，Colossal-AI 則能以更短時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練，節(jié)省訓(xùn)練成本，加速產(chǎn)品迭代。

為了讓更多開發(fā)者體驗(yàn)復(fù)現(xiàn) ChatGPT 模型，除 1750 億參數(shù)版本外，Colossal-AI 還提供高效的單卡、單機(jī) 4/8 卡的類 ChatGPT 版本，以降低硬件限制。

在單機(jī)多卡服務(wù)器上，即便使用最高端的 A100 80GB 顯卡，由于 ChatGPT 的復(fù)雜性和內(nèi)存碎片，PyTorch 最大僅能啟動基于 GPT-L（774M）這樣的小模型的 ChatGPT。用 PyTorch 原生的 DistributedDataParallel (DDP) 進(jìn)行多卡并行擴(kuò)展至 4 卡或 8 卡，性能提升有限。

Colossal-AI 不僅在單卡速度上訓(xùn)練和推理優(yōu)勢明顯，隨著并行規(guī)模擴(kuò)大還可進(jìn)一步提升，最高可提升單機(jī)訓(xùn)練速度 7.73 倍，單卡推理速度 1.42 倍，還可繼續(xù)擴(kuò)展至大規(guī)模并行，顯著降低 ChatGPT 復(fù)現(xiàn)成本。

為了盡可能降低訓(xùn)練成本和上手門檻，Colossal-AI 還提供了在單張 GPU 上即可嘗試的 ChatGPT 訓(xùn)練流程。相比于 PyTorch 在約 10 萬元的 A100 80GB 上，最大僅能啟動 7.8 億參數(shù)模型，Colossal-AI 將單卡容量提升 10.3 倍至 80 億參數(shù)。對于基于 1.2 億參數(shù)小模型的 ChatGPT 訓(xùn)練，最低僅需 1.62GB 顯存，任意單張消費(fèi)級 GPU 即可滿足。

此外，Colossal-AI 也致力于降低基于預(yù)訓(xùn)練大模型的微調(diào)任務(wù)成本。以 ChatGPT 可選的開源基礎(chǔ)模型 OPT 為例，相比 PyTorch，Colossal-AI 可將提升單卡微調(diào)模型容量 3.7 倍（原始計(jì)算量顯著增大），同時(shí)保持高速運(yùn)行。

一行代碼快速上手

Colossal-AI 為 Hugging Face 社區(qū)的 GPT，OPT 和 BLOOM 等主流預(yù)訓(xùn)練模型，提供了開箱即用的 ChatGPT 復(fù)現(xiàn)代碼。以 GPT 為例，僅需一行代碼，指定使用 Colossal-AI 作為系統(tǒng)策略即可快速使用。

Pythonfrom chatgpt.nn import GPTActor, GPTCritic, RewardModelfrom chatgpt.trainer import PPOTrainerfrom chatgpt.trainer.strategies import ColossalAIStrategystrategy = ColossalAIStrategy (stage=3, placement_policy='cuda')with strategy.model_init_context (): actor = GPTActor ().cuda () critic = GPTCritic ().cuda () initial_model = deepcopy (actor).cuda () reward_model = RewardModel (deepcopy (critic.model)).cuda ()trainer = PPOTrainer (strategy, actor, critic, reward_model, initial_model, ...)trainer.fit (prompts)

使用下列命令，即可快速啟動單卡、單機(jī)多卡、1750 億版本訓(xùn)練，并測試各種性能指標(biāo)（包括最大顯存占用、吞吐率和 TFLOPS 等）：

Python# 使用單機(jī)單卡訓(xùn)練 GPT2-S，使用最小的 batch size，Colossal-AI Gemini CPU 策略torchrun --standalone --nproc_pero_node 1 benchmark_gpt_dummy.py --model s --strategy colossalai_gemini_cpu --experience_batch_size 1 --train_batch_size 1# 使用單機(jī) 4 卡訓(xùn)練 GPT2-XL，使用 Colossal-AI Zero2 策略torchrun --standalone --nproc_per_node 4 benchmark_gpt_dummy.py --model xl --strategy colossalai_zero2# 使用 4 機(jī) 32 卡訓(xùn)練 GPT-3，使用 Colossal-AI Gemini CPU 策略torchrun --nnodes 4 --nproc_per_node 8 --rdzv_id=$JOB_ID --rdzv_backend=c10d --rdzv_endpoint=$HOST_NODE_ADDR benchmark_gpt_dummy.py --model 175b --strategy colossalai_gemini_cpu --experience_batch_size 1 --train_batch_size 1

背后優(yōu)化

核心系統(tǒng) Colossal-AI

復(fù)現(xiàn) ChatGPT 的背后，依賴面向大模型時(shí)代的通用深度學(xué)習(xí)系統(tǒng) Colossal-AI，可基于 PyTorch 高效快速部署 AI 大模型訓(xùn)練和推理，降低 AI 大模型應(yīng)用成本。

自開源以來，Colossal-AI 已經(jīng)多次在 GitHub 熱榜位列世界第一，獲得 GitHub Star 超八千顆，并成功入選 SC、AAAI、PPoPP、CVPR 等國際 AI 與 HPC 頂級會議的官方教程。除上述優(yōu)化外，Colossal-AI 還針對 AI 大模型趨勢，提供最多樣和高效的大規(guī)模多維并行分布式解決方案，此前已在 Stable Diffusion、OPT、AlphaFold 等前沿模型上展現(xiàn)卓越優(yōu)勢。

Colossal-AI 與當(dāng)今主要開源項(xiàng)目同期開源數(shù)據(jù)對比

Colossal-AI 由加州伯克利大學(xué)杰出教授 James Demmel 和新加坡國立大學(xué)校長青年教授尤洋領(lǐng)導(dǎo)。相關(guān)解決方案已成功在自動駕駛、云計(jì)算、零售、醫(yī)藥、芯片等行業(yè)知名廠商落地應(yīng)用，廣受好評。Colossal-AI 已成功幫助某世界 500 強(qiáng)企業(yè)，開發(fā)具備在線搜索引擎能力增強(qiáng)的類 ChatGPT 聊天機(jī)器人模型。

低成本微調(diào)的 LoRA

Colossal-AI 支持使用低秩矩陣微調(diào)（LoRA）方法進(jìn)行高效微調(diào)。LoRA 方法認(rèn)為大語言模型是過參數(shù)化的，其在微調(diào)中的參數(shù)改變量是·一個(gè)低秩的矩陣，可以將其分解為兩個(gè)更小的的矩陣的乘積，即

。在微調(diào)時(shí)，固定大模型參數(shù)，只調(diào)整低秩矩陣參數(shù)，從而顯著減小訓(xùn)練參數(shù)量。在微調(diào)之后，進(jìn)行推理部署之前，只需要將參數(shù)加回原有矩陣即可，即，不增加模型的推理延遲。

LoRA 示意圖，僅需訓(xùn)練 A、B

減少內(nèi)存冗余的 ZeRO Gemini

Colossal-AI 支持使用無冗余優(yōu)化器 (ZeRO) 來優(yōu)化內(nèi)存使用，這種方法可以有效減少內(nèi)存冗余，并且相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)并行策略，不會犧牲計(jì)算粒度和通信效率，同時(shí)可以大幅提高內(nèi)存使用效率。為了進(jìn)一步提升 ZeRO 的性能，Colossal-AI 引入了自動 Chunk 機(jī)制。通過將運(yùn)算順序上連續(xù)的一組參數(shù)存入同一個(gè) Chunk 中（Chunk 是一段連續(xù)的內(nèi)存空間），可以確保每個(gè) Chunk 的大小相同，從而提高內(nèi)存使用效率。使用 Chunk 方式組織內(nèi)存可以保證 PCI-e 和 GPU-GPU 之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬得到有效利用，減小通信次數(shù)，同時(shí)避免潛在的內(nèi)存碎片。

Chunk 機(jī)制

此外，Colossal-AI 的異構(gòu)內(nèi)存空間管理器 Gemini 支持將優(yōu)化器狀態(tài)從 GPU 卸載到 CPU ，以節(jié)省 GPU 內(nèi)存占用?？梢酝瑫r(shí)利用 GPU 內(nèi)存、CPU 內(nèi)存（由 CPU DRAM 或 NVMe SSD 內(nèi)存組成）來突破單 GPU 內(nèi)存墻的限制，進(jìn)一步擴(kuò)展了可訓(xùn)練模型規(guī)模。

通過 ZeRO Gemini 提升硬件的模型容量

開放協(xié)作

盡管此次開源包含了復(fù)現(xiàn) ChatGPT 的完整算法流程和必要軟件系統(tǒng)，但對于像 ChatGPT 這樣的超大 AI 大模型，想要實(shí)際落地應(yīng)用，還需要數(shù)據(jù)、算力至少 2 方面的努力。畢竟訓(xùn)練一個(gè) 1750 億參數(shù)的 GPT-3 就需要數(shù)百萬美元算力。因此，長期以來預(yù)訓(xùn)練大模型都由少數(shù)大型私營科技公司壟斷。

好在開源社區(qū)已成功進(jìn)行了新的嘗試。例如，完全開放代碼、數(shù)據(jù)集、權(quán)重的 1760 億參數(shù)的 BLOOM 模型，共有來自全球 60 個(gè)國家、超過 250 個(gè)機(jī)構(gòu)，以及超過 1000 名研究人員參與其中，其中包括以個(gè)人名義參加的 Meta、谷歌等大廠員工。而前段時(shí)間大火的開源圖文生成模型 Stable Diffusion，也是由 Stability AI、EleutherAI 和 LAION 等組織共同完成的。

借鑒上述成功模式，該項(xiàng)目也在吸引更多的合作者：無論是個(gè)人開發(fā)者，還是算力、數(shù)據(jù)、模型等可能合作方，都有機(jī)會參與其中，大顯身手，以復(fù)現(xiàn) ChatGPT 為起點(diǎn)，擁抱大模型時(shí)代！

可通過以下方式聯(lián)系或參與：

1. 在 GitHub 發(fā)布 issue 或提交 PR

2. 加入 Colossal-AI 用戶微信或 Slack 群交流

3. 點(diǎn)擊閱讀原文填寫合作提案

4. 發(fā)送合作提案到郵箱 contact@hpcaitech.com

開源地址：

https://github.com/hpcaitech/ColossalAI

參考鏈接：

https://www.hpc-ai.tech/blog/colossal-ai-chatgpt