深入了解Fine-Tuning：解锁大语言模型的潜能

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当前通用的预训练模型在面对特定领域或任务时，往往存在一定的局限性。为了使模型更好地适应特定需求，领域自适应成为了关键技术，而 Fine-Tuning（微调）则是其中一种重要的方法。今天我们一起来了解一下 Fine-Tuning。

一、Fine-Tuning 的基本原理

（一）Transformer 架构基础

大多数先进的 LLMs 基于 Transformer 架构，这一架构自 2017 年被提出后，凭借其独特的 “注意力” 机制，在自然语言处理领域取得了突破性进展。Transformer 架构由编码器和解码器两个主要模块组成。编码器专注于将自然语言语义转换为上下文相关的向量表示，适用于分类、命名实体识别和语义搜索等任务；解码器则通过训练预测下一个词元，能够以递归方式生成文本，常用于文本生成任务。在 Fine-Tuning 中，我们主要关注解码器模型，因为它们在生成式人工智能中占据重要地位。

（二）Fine-Tuning 的流程

数据收集与选择

Fine-Tuning 的数据来源广泛，包括文档库、人工创建内容等。对于特定领域的微调，数据质量至关重要，需要考虑数据的准确性、完整性、相关性等因素。同时，还需关注数据的保密性、知识产权、许可协议、版权和个人可识别信息（PII）等方面。
训练数据集可分为无标签和有标签（包括偏好数据）两类。领域自适应微调通常需要无标签文本数据，如用户手册、内部文档或法律合同等。而有标签数据集，如指令 - 上下文 - 响应数据集，可用于监督微调方法。近年来，强化学习方法利用人类或机器创建的偏好数据（如二进制反馈或多响应排名）来对齐模型与实际用户反馈，取得了良好效果。但收集有标签数据往往更困难、昂贵，尤其是在大规模和具有足够领域专业知识的情况下。

数据预处理

为了使数据适合下游训练算法，需要进行一系列预处理步骤。包括质量相关的预处理，如格式化、去重和 PII 过滤；与微调方法相关的预处理，如将数据渲染为监督微调的提示模板；以及自然语言处理相关的预处理，如分词、嵌入和根据上下文窗口进行分块等。

模型训练

Fine-Tuning 通过在特定领域数据上训练来更新模型权重，同时保持网络架构不变。训练方法采用自监督学习，与传统的无监督或监督学习不同。在自监督学习中，模型通过遮蔽输入中的特定词元来自我监督。对于解码器模型，通常采用因果语言建模（CLM）方法，基于单向上下文预测下一个词元。模型训练的目标是最小化损失函数，如交叉熵或困惑度损失，通过梯度下降在深度神经网络中反向传播来优化模型权重。

二、Fine-Tuning 的应用场景

（一）领域自适应

以生物技术领域为例，通用的预训练 LLMs 在处理 COVID - 19 疫苗研究相关任务时可能表现不佳，因为其预训练数据中来自该领域的比例较低。通过 Fine-Tuning，可以将领域特定的知识（如专业术语、行业特定缩写等）注入模型，扩展模型的 “舒适区”，提高其在特定任务上的性能。例如，使用生物技术领域的研究论文和相关文献进行持续预训练（Continued Pre - training，也称为领域自适应微调），使模型能够更好地理解和处理该领域的语言和知识。

（二）任务特定优化

监督微调（SFT）

人类在解决问题时往往希望模型具备聊天或指令遵循等能力，而不仅仅是简单的文本完成。监督微调通过在有标签数据集上训练，使模型能够根据特定任务需求调整其行为。例如，在训练模型进行问答、数据提取（如实体识别）或防止有害响应（红队测试）等任务时，SFT 能够让模型更好地理解任务目标，产生更准确的输出。
以使用 “dolly - 15k” 数据集对模型进行指令遵循训练为例，将数据集中的每个指令 - 上下文 - 响应示例转换为特定的提示模板，然后进行预处理和训练。这样，模型就能学会根据提示中的指令进行准确响应，满足特定任务的要求。

人类偏好对齐技术

之前的微调方法所使用的数据往往是对用户需求的近似估计，而人类偏好对齐技术旨在将实际用户反馈纳入模型训练，以提高模型与用户期望的一致性。
强化学习从人类反馈（RLHF）与近端策略优化（PPO）：这一方法分两步进行。首先，训练一个奖励模型，通过向模型提供提示数据集，获取多个推理结果并由人类标注者评分，基于此训练奖励模型。然后，使用奖励模型来调整实际模型的权重，通过近端策略优化算法，使模型的回答能够最大化奖励。同时，为了防止模型行为在训练过程中过度漂移，还会添加预测偏移惩罚项。
直接策略优化（DPO）：DPO 是 RLHF 的一种替代方法，它跳过了奖励模型的训练，直接在偏好数据上调整最终的偏好对齐 LLM。通过对奖励模型参数化进行数学转换，将其转化为损失函数，并使用偏好数据上的概率值替代实际奖励值，从而节省了计算和算法复杂性。
卡尼曼 - 特沃斯基优化（KTO）：KTO 基于卡尼曼和特沃斯基的前景理论，通过定义一个奖励函数来捕捉生成结果的相对 “好坏”，并优化模型以最大化该奖励的预期值。与 RLHF 和 DPO 不同，KTO 只需要知道给定输出对于输入是期望还是不期望的二进制信号，而不需要完整的偏好对数据。这使得 KTO 在偏好数据稀缺或昂贵的情况下更具优势，能够更高效地利用数据，并且在某些情况下可能匹配或超过基于偏好方法的性能。
几率比偏好优化（ORPO）：ORPO 旨在解决现有偏好对齐方法的局限性，如 RLHF 和 DPO 通常需要单独的监督微调阶段、参考模型或奖励模型。ORPO 将这些阶段合并为一个，通过在传统因果语言建模损失中引入基于几率比的惩罚项，同时实现了领域自适应和偏好对齐的目标。它可以在不需要单独的参考模型、奖励模型或两步微调方法的情况下，更有效地微调预训练语言模型以适应特定领域或任务，并确保模型输出与人类偏好一致。

三、Fine-Tuning 的实践要点

（一）模型选择

考虑使用平台提供的模型，并注意模型在不同地区的可用性差异。
组织应根据任务需求选择最适合的模型，虽然 Fine-Tuning可以提升模型性能，但在选择基础模型时可以参考其初始评估结果。
预算也是一个重要因素，较大模型通常需要更多计算资源和多 GPU 实例进行训练和服务，这会影响总成本（TCO）。
注意模型的许可模式，无论是专有模型还是开源模型，都有其使用领域和商业模型的限制。
遵循组织的治理、伦理和负责任人工智能准则，确保模型选择符合合规要求。

（二）微调路径选择

根据要执行的任务确定所需的模型行为，如聊天性、指令遵循等，然后从期望的任务行为出发，选择合适的微调路径，以确保最终模型能够满足任务要求。
在选择起始点时，要合理利用现有资源。如果模型库中有已经经过微调且符合部分需求的模型，可以优先考虑使用，避免重复劳动。
认识到 Fine-Tuning是一个迭代且可能递归的过程，但要注意避免灾难性遗忘。可以采用参数高效的微调方法，如 LoRA，来减轻这一问题。
根据数据可用性选择路径。通常组织拥有更多无标签文本数据，而获取有标签数据可能成本较高，因此要根据实际数据情况进行决策。

（三）示例分析

示例一

假设目标是为生物技术领域构建一个符合用户偏好的指令模型，并提升其在该领域的性能。首先选择 LLaMA - 2 - 7b 模型家族作为起始点，由于没有现成的指令模型，从文本完成模型 LLaMA - 2 - 7b - base 开始。然后使用生物技术领域的研究论文进行持续预训练，接着在开源指令数据集（如 dolly - 15k）上进行监督微调，得到 BioLLaMA - 2 - 7b - instruct 模型。最后，收集用户偏好数据集，训练奖励模型，并使用 RLHF with PPO 进行偏好对齐。

示例二

若要使用一个聊天模型并使其与实际用户偏好对齐。选择 LLaMA - 2 - 7b 模型家族，发现有现成的聊天微调模型 LLaMA - 2 - 7b - chat 可作为起始点。接下来，收集用户偏好数据集，训练奖励模型，然后使用 RLHF with PPO 进行偏好对齐。

四、Fine-Tuning 与其他方法的比较

与上下文学习（In - context Learning）相比，Fine-Tuning通过更新模型权重，能够更深入地将领域特定知识融入模型，从而在长期性能提升方面具有优势。上下文学习在处理少量特定任务时可能较为灵活，但对于复杂的领域自适应需求，Fine-Tuning 能够提供更强大的解决方案。同时，Fine-Tuning 内部的不同方法（如持续预训练、监督微调、各种人类偏好对齐技术等）也各有优劣，在实际应用中需要根据具体任务、数据和资源情况进行权衡选择。

Fine-Tuning作为一种高效且灵活的方法，在大型语言模型域适应中具有广泛的应用前景。通过微调预训练模型的参数，可以使其适应特定任务或领域的数据分布，从而提高模型的性能和准确性。同时，Fine-Tuning还具有高效性、灵活性、可解释性和可扩展性等优势，为大型语言模型在不同应用场景中的应用提供了有力的支持。