大模型面经——大模型中用到的归一化方法总结

大模型中的归一化主要是为了解决LLM训练不稳定的问题。这里属于NLP领域，由于样本序列长度不一致，具体归一化跟CV领域存在区别，CV领域归一化方法总结可以看视觉面经之归一化篇。

长话短说，LLM中归一化方法可以按照归一化方法来分，主要分为LayerNorm，BatchNorm，RMSNorm以及DeepNorm。

还可以按照归一化位置来分类，包括 postNorm 和 preNorm，但具体来说用postNorm比较多，具体的原因可以看之前这一篇 为什么大模型结构设计中往往使用postNorm而不用preNorm？。

一、归一化方法

1. BatchNorm

BatchNorm主要对数据的一定维度在batch数据中进行归一，一般来说应用于图像。

这种方法很难适用于序列数据，对于序列数据而言，在batch维度做归一意义不大，而且一个batch内的序列长度不同。

2. LayerNorm

LayerNorm是针对序列数据提出的一种归一化方法，主要在layer维度进行归一化，即对整个序列进行归一化。layerNorm会计算一个layer的所有activation的均值和方差，利用均值和方差进行归一化。

有时候面试官会让写公式，所以还是需要对公式比较熟悉，具体公式如下：

归一化后的激活值如下：

3.RMSNorm

RMSNorm的提出是为了提升layerNorm的训练速度提出的。RMSNorm也是一种layerNorm，只是归一化的方法不同。相比layerNorm中利用均值和方差进行归一化，RMSNorm 利用均方根进行归一化。

具体公式修改如下：

归一化后的激活值如下：

对于layerNorm和RMSNorm，layerNorm包含缩放和平移两部分，RMSNorm去除了平移部分，只保留了缩放部分。这样做的依据是，有研究认为layerNorm取得成功的关键是缩放部分的缩放不变性，而不是平移部分的平移不变性。

RMSNorm相比一般的layerNorm，减少了计算均值和平移系数的部分，训练速度更快，效果基本相当，甚至有所提升。

4.DeepNorm

DeepNorm是由微软提出的一种Normalization方法。主要对Transformer结构中的残差链接做修正。

DeepNorm可以缓解模型参数爆炸式更新的问题，把模型参数更新限制在一个常数域范围内，使得模型训练过程可以更稳定。模型规模可以达到1000层。

DeepNorm兼具PreLN的训练稳定和PostLN的效果性能。

具体的实现，可以参照下图，DeepNorm对layerNorm之前的残差链接进行了up-scale，在初始化阶段down-scale了模型参数。GLM-130B 模型中就采用了DeepNorm。

二、归一化位置

1. PostLN

在transformer的原始结构中，采用了PostLN结构，即在残差链接之后layerNorm（如下图所示）。在LLM中训练过程中发现，PostLN的输出层附近的梯度过大会造成训练的不稳定性，需要结合warm up做一些学习率上的调整优化。在LLM还是会结合一些preNorm，如在GLM-130B中采用PostLN与PreLN结合的方式。

2.PreLN

PreLN将layerNorm放置在残差链接的过程中，如上图所示。PreLN在每层的梯度范数近似相等，有利于提升训练稳定性。相比PostLN，使用PreLN的深层transforme的训练更稳定，但是性能有一定损伤。为了提升训练稳定性，很多大模型都采用了PreLN。