模型融合大家以前用的很多，特別是在判別模型里，屬于永遠(yuǎn)都能穩(wěn)定提升的那一類方法。但是生成語(yǔ)言模型，因?yàn)榻獯a的過(guò)程存在，并不像判別模型那樣直觀。

另外，由于大模型的參數(shù)量增大，在參數(shù)規(guī)模更大的場(chǎng)景，簡(jiǎn)單的集成學(xué)習(xí)可以考量的方法相比低參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)更受限制，比如經(jīng)典的stacking，boosting等方法，因?yàn)槎询B模型的參數(shù)問(wèn)題，無(wú)法簡(jiǎn)單拓展。因此針對(duì)大模型的集成學(xué)習(xí)需要仔細(xì)考量。

下面我們講解五種基本的集成方法，分別是 模型整合、概率集成、嫁接學(xué)習(xí)、眾包投票、MOE。

一、模型整合

模型整合較為簡(jiǎn)單，即大模型在輸出的文字層次進(jìn)行融合，如簡(jiǎn)單的使用3個(gè)不同的LLama模型的輸出結(jié)果，作為prompt輸入到第四個(gè)模型中進(jìn)行參考。在實(shí)際中，信息通過(guò)文字傳遞可以作為一種通信方法，其代表性的方法為EoT，來(lái)自于文章《Exchange-of-Thought: Enhancing Large Language Model Capabilities through Cross-Model Communication》，EoT提出了一個(gè)新的思想交流框架，即“交換思想”（Exchange-of-Thought），旨在促進(jìn)模型之間的交叉通信，以提升問(wèn)題解決過(guò)程中的集體理解。通過(guò)這一框架，模型可以吸收其他模型的推理，從而更好地協(xié)調(diào)和改進(jìn)自身的解決方案。用論文中的圖示表示為：

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如圖所示，作者統(tǒng)一地將CoT和自糾正方法同以來(lái)看，EoT允許多個(gè)模型分層次傳遞消息，通過(guò)跨模型通信，模型可以借鑒其他模型的推理和思考過(guò)程，從而更好地解決問(wèn)題。這可以提高模型的性能和準(zhǔn)確性。

二、概率集成

概率集成與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)融合相似，比如將模型預(yù)測(cè)的logit結(jié)果進(jìn)行平均，形式化的可以表示為類似地，大模型的概率集成可以在transformer的詞表輸出概率層次進(jìn)行融合。要注意的是，這樣的操作需要其融合的多個(gè)原始模型的詞表保持一致。

下面我們給出一個(gè)簡(jiǎn)單偽代碼的實(shí)現(xiàn)。

kv_cache = None
While True：
    input_ids = torch.tensor([[new_token]], dtype=torch.long, device='cuda')
    kv_cache1, kv_cache2 = kv_cache 
    output1 = models[0](input_ids=input_ids, past_key_values=kv_cache1, use_cache=True)
    output2 = models[1](input_ids=input_ids, past_key_values=kv_cache2, use_cache=True)
    kv_cache = [output1.past_key_values, output2.past_key_values]
    prob = (output1.logits + output2.logits) / 2
    new_token = torch.argmax(prob, 0).item()

三、嫁接學(xué)習(xí)

嫁接學(xué)習(xí)的概念來(lái)自于國(guó)內(nèi)Kaggle Grandmaster的plantsgo，最早源自于數(shù)據(jù)挖掘競(jìng)賽。其本質(zhì)上是一種遷移學(xué)習(xí)，一開(kāi)始是用來(lái)描述將一個(gè)樹(shù)模型的輸出作為另一個(gè)樹(shù)模型的輸入的方法。此種方法與樹(shù)的繁殖中的嫁接類似，故而得名。在大模型中，也有嫁接學(xué)習(xí)的應(yīng)用，其模型名字為SOLAR，文章來(lái)源于 《SOLAR 10.7B: Scaling Large Language Models with Simple yet Effective Depth Up-Scaling》，文中提出了一個(gè)模型嫁接的一種思路，與機(jī)器學(xué)習(xí)中的嫁接學(xué)習(xí)不同的是，大模型并不直接融合另外一個(gè)模型的概率結(jié)果，而是將其中的部分結(jié)構(gòu)和權(quán)重嫁接到融合模型上，并經(jīng)過(guò)一定的繼續(xù)預(yù)訓(xùn)練過(guò)程，使其模型參數(shù)能夠適應(yīng)新的模型。具體的操作為，復(fù)制包含n層的基礎(chǔ)模型，以便后續(xù)修改。然后，從原始模型中移除最后的m層，并從其副本中移除最初的m層，從而形成兩個(gè)不同的n-m層模型。最后將這兩個(gè)模型連接起來(lái)，形成一個(gè)具有2*(n-m)層的縮放模型。

如圖所示，需要構(gòu)建一個(gè)48等的目標(biāo)模型時(shí)候，可以分別從兩個(gè)32層的模型取前24層和后24層連接到一起，組成一個(gè)全新的48層的模型，將組合后的模型進(jìn)行繼續(xù)預(yù)訓(xùn)練即可，通常繼續(xù)預(yù)訓(xùn)練耗費(fèi)的的數(shù)據(jù)量和計(jì)算資源要小于完全從頭開(kāi)始訓(xùn)練的消耗。

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在繼續(xù)預(yù)訓(xùn)練之后，還需要進(jìn)行對(duì)齊操作，包含兩個(gè)過(guò)程，分別是指令微調(diào)和DPO。指令微調(diào)采用開(kāi)源instruct數(shù)據(jù)并改造出一個(gè)數(shù)學(xué)專用instruct數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)模型的數(shù)學(xué)能力。DPO是傳統(tǒng)的RLHF的替代，最終形成了SOLAR-chat版本。

四、眾包投票

眾包投票在今年的WSDM CUP第一名方案里上有所應(yīng)用，在過(guò)往的國(guó)內(nèi)生成比賽中大家也實(shí)踐過(guò)。其核心思想是：如果一個(gè)模型生成的句子，與所有模型的結(jié)果最像，那這個(gè)句子可以認(rèn)為是所有模型的平均。這樣就把概率意義上的平均，變成了生成token結(jié)果的上的平均。假設(shè)給定一個(gè)測(cè)試樣本，我們有個(gè)候選回答需要聚合，對(duì)于每一個(gè)候選，我們計(jì)算和）（之間的相關(guān)性分?jǐn)?shù)并將它們加在一起作為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）。同樣地，相關(guān)性量化來(lái)源可以是嵌入層余弦相似度（表示為emb_a_s）、詞級(jí)ROUGE-L（表示為word_a_f）和字符級(jí)ROUGE-L（表示為char_a_f）。這里就是一些人工構(gòu)造的相似度指標(biāo)，包括字面上的和語(yǔ)義上的。

代碼地址：https://github.com/zhangzhao219/WSDM-Cup-2024/tree/main

五、MoE

最后，也是最重要的大模型混合專家模型（Mixture of Experts，簡(jiǎn)稱MoE），這是一種結(jié)合多個(gè)子模型（即“專家”）的模型架構(gòu)方法，旨在通過(guò)多個(gè)專家的協(xié)同工作來(lái)提升整體的預(yù)測(cè)效果。MoE結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)模型的處理能力和運(yùn)行效率。典型的大模型MoE體系結(jié)構(gòu)包含了一個(gè)門控機(jī)制（Gating Mechanism）和一系列專家網(wǎng)絡(luò)。門控機(jī)制負(fù)責(zé)依據(jù)輸入數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)配各個(gè)專家的權(quán)重，以此來(lái)決定每個(gè)專家對(duì)最終輸出的貢獻(xiàn)程度；同時(shí)，專家選擇機(jī)制會(huì)根據(jù)門控信號(hào)的指示，挑選出一部分專家來(lái)參與實(shí)際的預(yù)測(cè)計(jì)算。這種設(shè)計(jì)不僅降低了整體的運(yùn)算需求，還使得模型能夠根據(jù)不同的輸入選擇最適用的專家。

混合專家模型（Mixture of Experts，MoE）并不是最近才有的新概念，混合專家模型的概念最早可以追溯到1991年發(fā)表的論文《Adaptive Mixture of Local Experts》。這種方法與集成學(xué)習(xí)有著相似之處，其核心是為由眾多獨(dú)立專家網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集合體創(chuàng)立一個(gè)協(xié)調(diào)融合機(jī)制。在這樣的架構(gòu)下，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)（即“專家”）負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)集中的特定子集，并且專注于特定的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域。這個(gè)子集可能是偏向于某種話題，某種領(lǐng)域，某種問(wèn)題分類等，并不是一個(gè)顯示的概念。

面對(duì)不同的輸入數(shù)據(jù)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是系統(tǒng)如何決定由哪個(gè)專家來(lái)處理。門控網(wǎng)絡(luò)（Gating Network）就是來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的，它通過(guò)分配權(quán)重來(lái)確定各個(gè)專家的工作職責(zé)。在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，這些專家網(wǎng)絡(luò)和門控網(wǎng)絡(luò)會(huì)被同時(shí)訓(xùn)練，并不需要顯示的手動(dòng)操控。

在2010年至2015年這段時(shí)間里，有兩個(gè)研究方向?qū)旌蠈＜夷Ｐ停∕oE）的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了重要影響：

組件化專家：在傳統(tǒng)的MoE框架中，系統(tǒng)由一個(gè)門控網(wǎng)絡(luò)和若干個(gè)專家網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。在支持向量機(jī)（SVM）、高斯過(guò)程以及其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法的背景下，MoE常常被當(dāng)作模型中的一個(gè)單獨(dú)部分。然而，Eigen、Ranzato和Ilya等研究者提出了將MoE作為深層網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)內(nèi)部組件的想法。這種創(chuàng)新使得MoE可以被整合進(jìn)多層網(wǎng)絡(luò)的特定位置中，從而使模型在變得更大的同時(shí)，也能保持高效。

條件計(jì)算：傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在每一層對(duì)所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在這段時(shí)期，Yoshua Bengio等學(xué)者開(kāi)始研究一種基于輸入特征動(dòng)態(tài)激活或者禁用網(wǎng)絡(luò)部分的方法。

這兩項(xiàng)研究的結(jié)合推動(dòng)了混合專家模型在自然語(yǔ)言處理（NLP）領(lǐng)域的應(yīng)用。尤其是在2017年，Shazeer和他的團(tuán)隊(duì)將這一理念應(yīng)用于一個(gè)137億參數(shù)的LSTM模型（這是當(dāng)時(shí)在NLP領(lǐng)域廣泛使用的一種模型架構(gòu)，由Schmidhuber提出）。他們通過(guò)引入稀疏性來(lái)實(shí)現(xiàn)在保持模型規(guī)模巨大的同時(shí)，加快推理速度。這項(xiàng)工作主要應(yīng)用于翻譯任務(wù)，并且面對(duì)了包括高通信成本和訓(xùn)練穩(wěn)定性問(wèn)題在內(nèi)的多個(gè)挑戰(zhàn)。如圖所示《Outrageously Large Neural Network》 中的MoE layer架構(gòu)如下：

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傳統(tǒng)的MoE都集中在非transfomer的模型架構(gòu)上，大模型時(shí)代的transfomer模型參數(shù)量達(dá)百億級(jí)，如何在transformer上應(yīng)用MoE并且把參數(shù)擴(kuò)展到百億級(jí)別，并且解決訓(xùn)練穩(wěn)定性和推理效率的問(wèn)題，成為MoE在大模型應(yīng)用上的關(guān)鍵問(wèn)題。谷歌提出了代表性的方法Gshard，成功將Transformer模型的參數(shù)量增加至超過(guò)六千億，并以此提升模型水平。

在GShard框架下，編碼器和解碼器中的每個(gè)前饋網(wǎng)絡(luò)（FFN）層被一種采用Top-2門控機(jī)制的混合專家模型（MoE）層所替代。下面的圖示展現(xiàn)了編碼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于執(zhí)行大規(guī)模計(jì)算任務(wù)非常有利：當(dāng)模型被分布到多個(gè)處理設(shè)備上時(shí)，MoE層在各個(gè)設(shè)備間進(jìn)行共享，而其他層則在每個(gè)設(shè)備上獨(dú)立復(fù)制。其架構(gòu)如下圖所示：

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為了確保訓(xùn)練過(guò)程中的負(fù)載均衡和效率，GShard提出了三種關(guān)鍵的技術(shù)，分別是損失函數(shù)，隨機(jī)路由機(jī)制，專家容量限制。

輔助負(fù)載均衡損失函數(shù)：損失函數(shù)考量某個(gè)專家的buffer中已經(jīng)存下的token數(shù)量，乘上某個(gè)專家的buffer中已經(jīng)存下的token在該專家上的平均權(quán)重，構(gòu)建這樣的損失函數(shù)能讓專家負(fù)載保持均衡。

隨機(jī)路由機(jī)制：在Top-2的機(jī)制中，我們總是選擇排名第一的專家，但是排名第二的專家則是通過(guò)其權(quán)重的比例來(lái)隨機(jī)選擇的。

專家容量限制：我們可以設(shè)置一個(gè)閾值來(lái)限定一個(gè)專家能夠處理的token數(shù)量。如果兩個(gè)專家的容量都已經(jīng)達(dá)到了上限，那么令牌就會(huì)發(fā)生溢出，這時(shí)token會(huì)通過(guò)殘差連接傳遞到下一層，或者在某些情況下被直接丟棄。專家容量是MoE架構(gòu)中一個(gè)非常關(guān)鍵的概念，其存在的原因是所有的張量尺寸在編譯時(shí)都已經(jīng)靜態(tài)確定，我們無(wú)法預(yù)知會(huì)有多少token分配給每個(gè)專家，因此需要預(yù)設(shè)一個(gè)固定的容量限制。

需要注意的是，在推理階段，只有部分專家會(huì)被激活。同時(shí)，有些計(jì)算過(guò)程是被所有token共享的，比如自注意力（self-attention）機(jī)制。這就是我們能夠用相當(dāng)于12B參數(shù)的稠密模型計(jì)算資源來(lái)運(yùn)行一個(gè)含有8個(gè)專家的47B參數(shù)模型的原因。如果我們使用Top-2門控機(jī)制，模型的參數(shù)量可以達(dá)到14B，但是由于自注意力操作是專家之間共享的，實(shí)際在模型運(yùn)行時(shí)使用的參數(shù)量是12B。

整個(gè)MoeLayer的原理可以用如下偽代碼表示：

M = input.shape[-1] # input維度為(seq_len, batch_size, M)，M是注意力輸出embedding的維度

reshaped_input = input.reshape(-1, M)

gates = softmax(einsum("SM, ME -> SE", reshaped_input, Wg)) #輸入input，Wg是門控訓(xùn)練參數(shù)，維度為(M, E)，E是MoE層中專家的數(shù)量，輸出每個(gè)token被分配給每個(gè)專家的概率，維度為(S, E)

combine_weights, dispatch_mask = Top2Gating(gates) #確定每個(gè)token最終分配給的前兩位專家，返回相應(yīng)的權(quán)重和掩碼

dispatched_expert_input = einsum("SEC, SM -> ECM", dispatch_mask, reshaped_input) # 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，按照專家的順序排列，為分發(fā)到專家計(jì)算做矩陣形狀整合

h = enisum("ECM, EMH -> ECH", dispatched_expert_input, Wi) #各個(gè)專家計(jì)算分發(fā)過(guò)來(lái)的input，本質(zhì)上是幾個(gè)獨(dú)立的全鏈接層
h = relu(h)
expert_outputs = enisum("ECH, EHM -> ECM", h, Wo) #各個(gè)專家的輸出

outputs = enisum("SEC, ECM -> SM", combine_weights, expert_outputs) #最后，進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到最終MoE-layer層的輸出
outputs_reshape = outputs.reshape(input.shape) # 從(S, M)變成(seq_len, batch_size, M)

關(guān)于在MoE的架構(gòu)改進(jìn)上，Switch Transformers設(shè)計(jì)了一種特殊的Switch Transformer層，該層能夠處理兩個(gè)獨(dú)立的輸入（即兩個(gè)不同的token），并配備了四個(gè)專家進(jìn)行處理。與最初的top2專家的想法相反，Switch Transformers 采用了簡(jiǎn)化的top1專家策略。如下圖所示：

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與之區(qū)別，國(guó)內(nèi)知名大模型DeepSeek MoE的架構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)共享專家，每次都參與激活，其設(shè)計(jì)基于這樣一個(gè)前提：某個(gè)特定的專家能夠精通特定的知識(shí)領(lǐng)域。通過(guò)將專家的知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)粒度的分割，可以防止單一專家需要掌握過(guò)多的知識(shí)面，從而避免知識(shí)的混雜。同時(shí)，設(shè)置共享專家能夠確保一些普遍適用的知識(shí)在每次計(jì)算時(shí)都能被利用。

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