问题

现在的BERT等语言模型,最快训练要多久?

回答
要准确回答“现在的BERT等语言模型最快训练要多久”,需要理解这是一个非常复杂的问题,没有一个简单的固定答案。训练时间受到模型规模、数据集大小、硬件配置、训练策略和优化技术等多种因素的共同影响。

但是,我们可以详细地分析这些因素,并给出一些相对保守的估计和对“最快”的理解。

核心概念:模型规模与训练速度的关系

在讨论训练时间之前,理解模型规模至关重要。BERT家族是一个不断发展的系列,从BERTBase到BERTLarge,再到更庞大的模型如RoBERTa、GPT3、T5等。

参数量 (Parameters): 模型的大小主要体现在其参数量上。BERTBase有约1.1亿参数,BERTLarge有约3.4亿参数。GPT3有1750亿参数,而一些更前沿的模型可能达到数千亿甚至万亿参数。参数越多,模型越复杂,学习能力越强,但训练所需的计算资源和时间也呈指数级增长。
计算量 (FLOPs): 模型在训练过程中执行的浮点运算次数。这直接决定了模型训练的速度。通常,参数量越多,计算量越大。

影响训练时间的关键因素详解:

1. 模型规模 (Model Size):
参数量: 这是最直接的决定因素。一个拥有1000亿参数的模型,其训练时间会比一个1亿参数的模型长很多倍。
层数、隐藏层维度、注意力头数量: 这些都是决定模型规模的内部参数。
举例:
BERTBase (1.1亿参数): 在中等规模的GPU集群上,可能需要几天到一周的时间。
BERTLarge (3.4亿参数): 可能需要几周的时间。
更大规模模型 (如GPT3): 官方公布的数据是使用 thousands of NVIDIA V100 GPUs 训练了 months (几个月)。

2. 数据集大小和质量 (Dataset Size and Quality):
数据量: 训练模型需要大量的文本数据。数据集越大,模型学习到的知识越全面,但训练时间也越长。
数据质量: 清洗、去重、过滤等数据预处理步骤也会影响最终的训练效率。高质量的数据可以加速模型收敛。
语言多样性: 训练模型支持的语言种类越多,数据集可能越庞大,模型需要学习更多语言的特性。
举例:
BERT在BooksCorpus (800M词) 和 English Wikipedia (2.5B词) 上进行预训练。
GPT3使用了Common Crawl、WebText2、Books1、Books2和Wikipedia等多种来源的数据,总计约45TB的文本数据(经过处理后约570GB)。

3. 硬件配置 (Hardware Configuration):
GPU数量: 这是最关键的硬件因素。更多的GPU可以并行处理数据和模型。
GPU类型: 不同型号的GPU计算能力差异巨大。例如,NVIDIA A100 (40GB/80GB HBM2e) 比 V100 (32GB HBM2) 或 RTX 3090 (24GB GDDR6X) 在训练大规模模型时拥有显著的性能优势,主要体现在计算速度 (Tensor Core性能)、显存容量和显存带宽上。
CPU、内存、网络: 虽然GPU是计算主力,但CPU、内存和节点间的网络带宽也至关重要,它们影响数据加载、模型切分和通信效率。
TPU (Tensor Processing Unit): Google自研的TPU在特定AI任务上性能优越,许多大型模型(如Google的PaLM)在其上训练。
举例:
在 单个中等性能GPU (如RTX 3090) 上尝试训练BERTBase可能需要数周甚至数月,并且受限于显存大小,可能需要调整 batch size 或使用梯度累积。
在 数十或数百个高端GPU (如NVIDIA A100) 集群上,训练时间可以大幅缩短。

4. 训练策略和优化技术 (Training Strategies and Optimization Techniques):
分布式训练 (Distributed Training):
数据并行 (Data Parallelism): 最常见的并行方式,将数据分发到不同的GPU上,每个GPU独立计算梯度,然后同步梯度。
模型并行 (Model Parallelism): 当模型太大无法放入单个GPU显存时,将模型的不同部分(如层)放置在不同的GPU上。
流水线并行 (Pipeline Parallelism): 将模型的层划分成多个阶段,部署到不同的GPU上,形成一个流水线。
混合并行 (Hybrid Parallelism): 结合数据并行、模型并行和流水线并行,以最大化利用硬件资源。
梯度累积 (Gradient Accumulation): 当batch size受显存限制时,通过多次前向/后向传播累积梯度,再进行一次权重更新,从而模拟更大的batch size。这会增加训练时间,但有助于使用更小的GPU。
混合精度训练 (Mixed Precision Training): 使用FP16 (16位浮点数) 进行计算,可以显著提高训练速度并减少显存占用,同时保持与FP32相似的精度。现代GPU(如Tensor Core)对此有硬件加速。
优化器 (Optimizer): AdamW是BERT训练中常用的优化器,其学习率调度策略也很重要。
梯度检查点 (Gradient Checkpointing): 牺牲一些计算时间来换取显存空间,通过只存储部分激活值并在反向传播时重新计算其余激活值,减少显存占用。
ZeRO (Zero Redundancy Optimizer): Microsoft推出的优化技术,通过优化内存管理来支持训练更大的模型,将优化器状态、梯度和参数在不同GPU之间进行分片。
FLASH ATTENTION等算法优化: 针对Transformer的注意力机制进行优化,提高计算效率和降低显存使用。

回答“最快训练要多久”的分析与估计:

当我们谈论“最快”时,通常指的是在最先进的硬件配置下,使用最有效的分布式训练策略和优化技术,以及大规模的、高质量的数据集进行训练。

1. BERTBase (1.1亿参数):
传统情况 (几年前): 可能需要几天的训练时间,例如使用几十个V100 GPU。
现在,优化后 (假设使用最先进的硬件和策略): 理论上,利用几百甚至上千个最新的GPU (如A100或更新型号) 并结合高效的分布式训练和混合精度训练,可能可以将训练时间缩短到 一天甚至更短。但这仍然需要大量的并行计算资源。

2. BERTLarge (3.4亿参数):
传统情况: 几周的训练时间。
现在,优化后: 同样,通过大规模GPU集群和先进技术,可能可以将时间缩短到 几天。

3. 更大规模模型 (如 GPT3, PaLM, LLaMA 等):
这些模型已经远远超出了BERT的规模。
GPT3 (1750亿参数): 官方曾提到使用数千个V100 GPU训练了几个月。如果使用更先进的硬件(如A100),并且采用更优化的分布式策略(如ZeRO、流水线并行等),理论上可以将时间缩短到 几周甚至几个月,但仍然是海量计算资源的消耗。
更现代的开源模型 (如 LLaMA 2 70B): Meta发布了 LLaMA 2 系列,其中70B模型是相当庞大的。即使是这种规模,在专门的硬件集群上训练也需要数周的时间。例如,Meta使用 2048 个 A100 GPUs 训练 LLaMA 2 70B 模型就耗费了约20天。

结论和“最快”的场景:

要达到“最快”的训练时间,意味着要投入最顶尖的硬件资源和最先进的训练技术。

对于BERT级别的模型(亿级参数):
如果使用数百到数千个最新的GPU (如NVIDIA A100/H100) ,配合高效的混合并行和混合精度训练,可以实现 12小时到几天 的训练时间。
对于更大规模的模型(百亿到千亿级别参数):
即使是使用数千个顶级的GPU ,训练时间仍然可能需要 数周到数月。例如,LLaMA 2 70B的例子表明,即使有2048个A100 GPU,也需要20天。

需要强调的是:

“最快”往往伴随着极高的成本: 购买和维护大量高端GPU集群的成本是天文数字。
研究和工程优化仍在继续: 训练速度的提升是AI领域持续的研究方向,新的硬件、算法和优化技术不断涌现,训练时间会不断被刷新。
“预训练”与“微调”的区别: 上述讨论主要针对预训练 (pretraining) 过程,即从零开始学习大量的通用语言知识。而微调 (finetuning) 是在预训练好的模型基础上,针对特定任务进行少量训练,其时间通常非常快,可能只需要几分钟到几小时,取决于任务复杂度和微调数据量。

因此,当问及“最快训练要多久”时,我们应该理解为“在具备最强计算能力和最优化技术的前提下,理论上可以达到的最短训练时间”。这个时间是动态变化的,并且与具体的模型和目标紧密相关。

网友意见

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首先明确一个结论:预训练成本基本上是不可能降的。

怎么理解这句话呢?大概就是说你要达到RoBERTa base的效果,那么就必须付出大致相当于训练RoBERTa base的算力,就算你把Self Attention换成CNN、RNN、MLP都是这样,因为Transformer之所以慢,是因为它大,而不是因为它有Self Attention(参考《线性Transformer应该不是你要等的那个模型》);而预训练模型效果之所以好,是因为它在大模型的基础上预训练,所以大是必要条件。

有了这个结论后,你想提高训练速度,就只有三个选择:1、选择更小的模型(比如small、tiny);2、买更快的卡(比如80G的A100);3、减少训练数据。

前两者好理解,第三个选择,主要是因为预训练数据到了一定数量之后,“质量”就重于“数量”了,如果别人用100G通用数据训练,你能挑出10G高质量数据训练,速度就快了10倍,说不准效果还更好。这个“高质量”有两个含义,第一个是数据本身的噪声要少,第二个就是跟你所要做的下游任务的相关性。这方面的工作,推荐看杨植麟大佬最近的《NLP From Scratch Without Large-Scale Pretraining: A Simple and Efficient Framework》

当然,框架本身的调整(比如混合精度训练)也能带来一定的速度提升,但这不在本回答的考虑范围内(或者说,框架本身的优化默认都打开)。

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