训练大型语言模型(llm)，即使是那些“只有”70亿个参数的模型，也是一项计算密集型的任务。这种水平的训练需要的资源超出了大多数个人爱好者的能力范围。为了弥补这一差距，出现了低秩适应(LoRA)等参数高效方法，可以在消费级gpu上对大量模型进行微调。

GaLore是一种新的方法，它不是通过直接减少参数的数量，而是通过优化这些参数的训练方式来降低VRAM需求，也就是说GaLore是一种新的模型训练策略，可让模型使用全部参数进行学习，并且比LoRA更省内存。

GaLore将这些梯度投影到低秩空间上，显著减少了计算负荷，同时保留了训练所需的基本信息。与传统的优化器在反向传播后同时更新所有层的方法不同，GaLore在反向传播期间实现逐层更新。这种方法进一步减少了整个训练过程中的内存占用。

就像LoRA一样，GaLore可以让我们在具有24 GB VRAM的消费级GPU上微调7B模型。结果模型的性能与全参数微调相当，并且似乎优于LoRA。

优于目前Hugging Face还没有官方代码，我们就来手动使用论文的代码进行训练，并与LoRA进行对比

安装依赖

首先就要安装GaLore

pip install galore-torch

然后我们还要一下这些库，并且请注意版本

datasets==2.18.0
transformers==4.39.1
trl==0.8.1
accelerate==0.28.0
torch==2.2.1

调度器和优化器的类

Galore分层优化器是通过模型权重挂钩激活的。由于我们使用Hugging Face Trainer，还需要自己实现一个优化器和调度器的抽象类。这些类的结构不执行任何操作。

from typing import Optional
import torch
# Approach taken from Hugging Face transformers https://github.com/huggingface/transformers/blob/main/src/transformers/optimization.py
class LayerWiseDummyOptimizer(torch.optim.Optimizer):
def __init__(self, optimizer_dict=None, *args, **kwargs):
dummy_tensor = torch.randn(1, 1)
self.optimizer_dict = optimizer_dict
super().__init__([dummy_tensor], {"lr": 1e-03})
def zero_grad(self, set_to_none: bool = True) -> None: 
pass
def step(self, closure=None) -> Optional[float]: 
pass
class LayerWiseDummyScheduler(torch.optim.lr_scheduler.LRScheduler):
def __init__(self, *args, **kwargs):
optimizer = LayerWiseDummyOptimizer()
last_epoch = -1
verbose = False
super().__init__(optimizer, last_epoch, verbose)
def get_lr(self): 
return [group["lr"] for group in self.optimizer.param_groups]
def _get_closed_form_lr(self): 
return self.base_lrs

加载GaLore优化器

GaLore优化器的目标是特定的参数，主要是那些在线性层中以attn或mlp命名的参数。通过系统地将函数与这些目标参数挂钩，GaLore 8位优化器就会开始工作。

from transformers import get_constant_schedule
from functools import partial
import torch.nn
import bitsandbytes as bnb
from galore_torch import GaLoreAdamW8bit

def load_galore_optimizer(model, lr, galore_config): 
# function to hook optimizer and scheduler to a given parameter 
def optimizer_hook(p, optimizer, scheduler):
if p.grad is not None: 
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()
scheduler.step()
# Parameters to optimize with Galore
galore_params = [
(module.weight, module_name) for module_name, module in model.named_modules() 
if isinstance(module, nn.Linear) and any(target_key in module_name for target_key in galore_config["target_modules_list"])
] 
id_galore_params = {id(p) for p, _ in galore_params}

# Hook Galore optim to all target params, Adam8bit to all others
for p in model.parameters():
if p.requires_grad:
if id(p) in id_galore_params:
optimizer = GaLoreAdamW8bit([dict(params=[p], **galore_config)], lr=lr)
else:
optimizer = bnb.optim.Adam8bit([p], lr = lr)
scheduler = get_constant_schedule(optimizer)

p.register_post_accumulate_grad_hook(partial(optimizer_hook, optimizer=optimizer, scheduler=scheduler))

# return dummies, stepping is done with hooks 
return LayerWiseDummyOptimizer(), LayerWiseDummyScheduler()

HF Trainer

准备好优化器后，我们开始使用Trainer进行训练。下面是一个简单的例子，使用TRL的SFTTrainer (Trainer的子类)在Open Assistant数据集上微调llama2-7b，并在RTX 3090/4090等24 GB VRAM GPU上运行。

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, TrainingArguments, set_seed, get_constant_schedule
from trl import SFTTrainer, setup_chat_format, DataCollatorForCompletionOnlyLM
from datasets import load_dataset
import torch, torch.nn as nn, uuid, wandb
lr = 1e-5
# GaLore optimizer hyperparameters
galore_config = dict(
target_modules_list = ["attn", "mlp"], 
rank = 1024, 
update_proj_gap = 200, 
scale = 2, 
proj_type="std"
)
modelpath = "meta-llama/Llama-2-7b"
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
modelpath, 
torch_dtype=torch.bfloat16,
attn_implementation = "flash_attention_2", 
device_map = "auto",
use_cache = False,
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(modelpath, use_fast = False)
# Setup for ChatML
model, tokenizer = setup_chat_format(model, tokenizer)
if tokenizer.pad_token in [None, tokenizer.eos_token]: 
tokenizer.pad_token = tokenizer.unk_token
# subset of the Open Assistant 2 dataset, 4000 of the top ranking conversations
dataset = load_dataset("g-ronimo/oasst2_top4k_en")
training_arguments = TrainingArguments(
output_dir = f"out_{run_id}",
evaluation_strategy = "steps",
label_names = ["labels"],
per_device_train_batch_size = 16,
gradient_accumulation_steps = 1,
save_steps = 250,
eval_steps = 250,
logging_steps = 1, 
learning_rate = lr,
num_train_epochs = 3,
lr_scheduler_type = "constant",
gradient_checkpointing = True,
group_by_length = False,
)
optimizers = load_galore_optimizer(model, lr, galore_config)
trainer = SFTTrainer(
model = model,
tokenizer = tokenizer,
train_dataset = dataset["train"],
eval_dataset = dataset['test'],
data_collator = DataCollatorForCompletionOnlyLM(
instruction_template = "<|im_start|>user", 
response_template = "<|im_start|>assistant", 
tokenizer = tokenizer, 
mlm = False),
max_seq_length = 256,
dataset_kwargs = dict(add_special_tokens = False),
optimizers = optimizers,
args = training_arguments,
)
trainer.train()

GaLore优化器带有一些需要设置的超参数如下:

target_modules_list:指定GaLore针对的层

rank:投影矩阵的秩。与LoRA类似，秩越高，微调就越接近全参数微调。GaLore的作者建议7B使用1024

update_proj_gap:更新投影的步骤数。这是一个昂贵的步骤，对于7B来说大约需要15分钟。定义更新投影的间隔，建议范围在50到1000步之间。

scale:类似于LoRA的alpha的比例因子，用于调整更新强度。在尝试了几个值之后，我发现scale=2最接近于经典的全参数微调。

微调效果对比

给定超参数的训练损失与全参数调优的轨迹非常相似，表明GaLore分层方法确实是等效的。

用GaLore训练的模型得分与全参数微调非常相似。

GaLore可以节省大约15 GB的VRAM，但由于定期投影更新，它需要更长的训练时间。

上图为2个3090的内存占用对比

训练事件对比，微调:~58分钟。GaLore:约130分钟

最后我们再看看GaLore和LoRA的对比

上图为LoRA微调所有线性层，rank64,alpha 16的损失图

从数值上可以看到GaLore是一种近似全参数训练的新方法，性能与微调相当，比LoRA要好得多。

总结

GaLore可以节省VRAM，允许在消费级GPU上训练7B模型，但是速度较慢，比微调和LoRA的时间要长差不多两倍的时间。