大模型发展即将进入下一阶段但目前仍面临众多难题。为满足与日俱增的实际需求，大模型参数会越来越大，数据集类型越来越多，从而导致训练难度大增，同时也提高了推理成本。为了实现大模型的高效训练和推理，混合专家模型MoE便横空出世。

一、MoE结构的发展：

1.Vanilla MoE

Export Network，用于学习不同数据，一个Gating Network用于分配每个Expert的输出权重。

2.Sparse MoE

Experts的输出是稀疏的，只有部分的 experts 的权重> 0，其余=0 的 expert 直接不参与计算

• Expert Balancing问题

不同 experts 在竞争的过程中，会出现“赢者通吃”的现象：前期变现好的 expert 会更容易被 gating network 选择，导致最终只有少数的几个 experts 真正起作用

3.Transformer MoE

• GShard

• Transformer的encoder和decoder中，每隔一个（every other）FFN层，替换成position-wise MoE层
• Top-2 gating network
  1. Switch Transformer

简化了MoE的routing算法，gating network 每次只 route 到 1 个 expert

• 1. GLaM
     1. Gshard结构
     2. Scale参数量
     3. 降低训练推理成本

二、MoE的分布式通信和MindSpore优化

1.MoE结构和普通的Dense模型的差异在于，其需要额外的AllToAll通信，来实现数据的路由(Gating)和结果的回收。而AllToAll通信会跨Node（服务器）、跨pod（路由），进而造成大量的通信阻塞问题

2.MindSpore的MoE优化

大模型训练主要瓶颈在于片上内存与卡间通信。常用的内存优化手段：1）MoE并行、2）优化器异构，常用的通信优化手段：3）多副本并行。

1）MoE并行：将不同的专家切分到不同的卡上，由于MoE的路由机制，需要使用AllToAll通信，将token发送到正确的卡上。对AllToAll的优化：分级AllToAll、Group-wise AllToAll等。

2）优化器异构：大模型训练常使用的adam系列优化器，其占用的内存往往是模型参数本身的2倍或以上，可以将优化器状态存储在Host内存上。

3）多副本并行：将串行的通信、计算拆分成多组，组件流水，掩盖通信时间。

MindSpore已使能上述优化，大幅提升了万亿参数稀疏模型的训练吞吐

三、Mixtral 8x7b MoE大模型

1.Mixtral的基础模型Mistral

• 1. RoPE
  2. RMSNorm
  3. Transformer decoder
  4. Grouped Multi-Query Attention
  5. Sliding window attention: 优化随着序列长度增加而增长的显存占用和计算消耗

2.Mixtral

• 8个expert（类GPT-4）
• Top2 gating

3.MoE Layer的MindSpore实现

4.Mindformers的Mixtral支持

• 基于MindFormers实现Mixtral-8x7B MoE模型。
  • 关键结构: GQA, RoPE, RMSNorm, Silu
  • MoE配置: 8 Experts, TopK=2, capacity c=1.1
  • 加载开源的Mixtral权重和tokenizer，推理结果对齐HF.
• 4机32卡EP,PP等多维混合并行，基于自有数据集试验性训练收敛符合预期。200 epoch loss 100.02

EP=8,MP=1时性能最佳,约1147 tokens/s/p。

四、MoE和lifelong learning

1.终身学习/持续学习的性质

性质	定义
知识记忆(knowledge retention)	模型不易产生遗忘灾难
前向迁移(forward transfer)	利用旧知识学习新任务
后向迁移(backward transfer)	新任务学习后提升旧任务
在线学习(online learning)	连续数据流学习
无任务边界(No task boudaries)	不需要明确的任务或数据定义
固定模型容量(Fixed model capacity)	模型大小不随任务和数据变化

2.MoE模型+终身学习

性质
知识记忆(knowledge retention)	√
前向迁移(forward transfer)	√
后向迁移(backward transfer)	-
在线学习(online learning)	×
无任务边界(No task boudaries)	√
固定模型容量(Fixed model capacity)	√

MoE的特点：

• 多个Expert分别处理不同分布（domain/topic）的数据
• 推理仅需要部分Expert

LLM的终身学习：

• 世界知识底座持续学习。
• Expert可插拔
• Gating Network可增删。

3.MoE+终身学习的典型工作

1. Lifelong-MoE

• 扩展expert和gating network的维度
• 冻结旧的expert和gating network维度
• 使用正则克服遗忘灾难
  1. Pangu-sigma

Random Routed Experts：

• 第一层，根据任务分配给不同的专家组（多个expert构成一个专家组，供一个task/domain使用）
• 第二层，使用组内随机Gating，让专家组的expert可以负载均衡。

这样可以保证某个领域对应的expert可以直接被抽取出来作为单个模型使用。

五、Mixtral 8x7b Demo

🌟Mistral-MindSpore: GitHub - lvyufeng/mistral-mindspore

🌟Mindformer(MoE预训练)：mindformers: MindSpore Transformers套件的目标是构建一个大模型训练、推理、部署的全流程套件： 提供业内主流的Transformer类预训练模型， 涵盖丰富的并行特性。 期望帮助用户轻松的实现大模型训练。文档：https://mindformers.readthedocs.io/zh-cn/latest/

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