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混合专家模型 (MoE) 详解

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随着 Mixtral 8x7B (announcement, model card) 的推出，一种称为混合专家模型 (Mixed Expert Models，简称 MoEs) 的 Transformer 模型在开源人工智能社区引起了广泛关注。在本篇博文中，我们将深入探讨 MoEs 的核心组件、训练方法，以及在推理过程中需要考量的各种因素。

让我们开始吧！

简短总结

混合专家模型 (MoEs):

让我们开始吧！

什么是混合专家模型？

模型规模是提升模型性能的关键因素之一。在有限的计算资源预算下，用更少的训练步数训练一个更大的模型，往往比用更多的步数训练一个较小的模型效果更佳。

混合专家模型 (MoE) 的一个显著优势是它们能够在远少于稠密模型所需的计算资源下进行有效的预训练。这意味着在相同的计算预算条件下，您可以显著扩大模型或数据集的规模。特别是在预训练阶段，与稠密模型相比，混合专家模型通常能够更快地达到相同的质量水平。

那么，究竟什么是一个混合专家模型 (MoE) 呢？作为一种基于 Transformer 架构的模型，混合专家模型主要由两个关键部分组成:

总结来说，在混合专家模型 (MoE) 中，我们将传统 Transformer 模型中的每个前馈网络 (FFN) 层替换为 MoE 层，其中 MoE 层由两个核心部分组成: 一个门控网络和若干数量的专家。

尽管混合专家模型 (MoE) 提供了若干显著优势，例如更高效的预训练和与稠密模型相比更快的推理速度，但它们也伴随着一些挑战:

了解了 MoE 的基本概念后，让我们进一步探索推动这类模型发展的研究。

混合专家模型简史

混合专家模型 (MoE) 的理念起源于 1991 年的论文 Adaptive Mixture of Local Experts。这个概念与集成学习方法相似，旨在为由多个单独网络组成的系统建立一个监管机制。在这种系统中，每个网络 (被称为“专家”) 处理训练样本的不同子集，专注于输入空间的特定区域。那么，如何选择哪个专家来处理特定的输入呢？这就是门控网络发挥作用的地方，它决定了分配给每个专家的权重。在训练过程中，这些专家和门控网络都同时接受训练，以优化它们的性能和决策能力。

在 2010 至 2015 年间，两个独立的研究领域为混合专家模型 (MoE) 的后续发展做出了显著贡献:

  1. 组件专家: 在传统的 MoE 设置中，整个系统由一个门控网络和多个专家组成。在支持向量机 (SVMs) 、高斯过程和其他方法的研究中，MoE 通常被视为整个模型的一部分。然而，Eigen、Ranzato 和 Ilya 的研究 探索了将 MoE 作为更深层网络的一个组件。这种方法允许将 MoE 嵌入到多层网络中的某一层，使得模型既大又高效。
  2. 条件计算: 传统的神经网络通过每一层处理所有输入数据。在这一时期，Yoshua Bengio 等研究人员开始探索基于输入令牌动态激活或停用网络组件的方法。

这些研究的融合促进了在自然语言处理 (NLP) 领域对混合专家模型的探索。特别是在 2017 年，Shazeer 等人 (团队包括 Geoffrey Hinton 和 Jeff Dean，后者有时被戏称为 “谷歌的 Chuck Norris”) 将这一概念应用于 137B 的 LSTM (当时被广泛应用于 NLP 的架构，由 Schmidhuber 提出)。通过引入稀疏性，这项工作在保持极高规模的同时实现了快速的推理速度。这项工作主要集中在翻译领域，但面临着如高通信成本和训练不稳定性等多种挑战。

混合专家模型 (MoE) 的引入使得训练具有数千亿甚至万亿参数的模型成为可能，如开源的 1.6 万亿参数的 Switch Transformers 等。这种技术不仅在自然语言处理 (NLP) 领域得到了广泛应用，也开始在计算机视觉领域进行探索。然而，本篇博客文章将主要聚焦于自然语言处理领域的应用和探讨。

什么是稀疏性?

稀疏性的概念采用了条件计算的思想。在传统的稠密模型中，所有的参数都会对所有输入数据进行处理。相比之下，稀疏性允许我们仅针对整个系统的某些特定部分执行计算。这意味着并非所有参数都会在处理每个输入时被激活或使用，而是根据输入的特定特征或需求，只有部分参数集合被调用和运行。

让我们深入分析 Shazeer 对混合专家模型 (MoE) 在翻译应用中的贡献。条件计算的概念 (即仅在每个样本的基础上激活网络的不同部分) 使得在不增加额外计算负担的情况下扩展模型规模成为可能。这一策略在每个 MoE 层中实现了数以千计甚至更多的专家的有效利用。

这种稀疏性设置确实带来了一些挑战。例如，在混合专家模型 (MoE) 中，尽管较大的批量大小通常有利于提高性能，但当数据通过激活的专家时，实际的批量大小可能会减少。比如，假设我们的输入批量包含 10 个令牌， 可能会有五个令牌被路由到同一个专家，而剩下的五个令牌分别被路由到不同的专家。这导致了批量大小的不均匀分配和资源利用效率不高的问题。在接下来的部分中，将会讨论让 MoE 高效运行的其他挑战以及相应的解决方案。

那我们应该如何解决这个问题呢？一个可学习的门控网络 (G) 决定将输入的哪一部分发送给哪些专家 (E):

$$
y = \sum_{i=1}^{n} G(x)_i E_i(x)
$$

在这种设置下，虽然所有专家都会对所有输入进行运算，但通过门控网络的输出进行加权乘法操作。但是，如果 G (门控网络的输出) 为 0 会发生什么呢？如果是这种情况，就没有必要计算相应的专家操作，因此我们可以节省计算资源。那么一个典型的门控函数是什么呢？一个典型的门控函数通常是一个带有 softmax 函数的简单的网络。这个网络将学习将输入发送给哪个专家。

$$
G_\sigma(x) = \text{Softmax}(x \cdot W_g)
$$

Shazeer 等人的工作还探索了其他的门控机制，其中包括带噪声的 TopK 门控 (Noisy Top-K Gating)。这种门控方法引入了一些可调整的噪声，然后保留前 k 个值。具体来说:

  1. 添加一些噪声

$$
H(x)i = (x \cdot W{\text{g}})i + \text{StandardNormal()} \cdot \text{Softplus}((x \cdot W{\text{noise}})_i)
$$

  1. 选择保留前 K 个值

$$
\text{KeepTopK}(v, k)_i = \begin{cases}
v_i & \text{if } v_i \text{ is in the top } k \text{ elements of } v, \
-\infty & \text{otherwise.}
\end{cases}
$$

  1. 应用 Softmax 函数

$$
G(x) = \text{Softmax}(\text{KeepTopK}(H(x), k))
$$

这种稀疏性引入了一些有趣的特性。通过使用较低的 k 值 (例如 1 或 2)，我们可以比激活多个专家时更快地进行训练和推理。为什么不仅选择最顶尖的专家呢？最初的假设是，需要将输入路由到不止一个专家，以便门控学会如何进行有效的路由选择，因此至少需要选择两个专家。Switch Transformers 就这点进行了更多的研究。

我们为什么要添加噪声呢？这是为了专家间的负载均衡！

混合专家模型中令牌的负载均衡

正如之前讨论的，如果所有的令牌都被发送到只有少数几个受欢迎的专家，那么训练效率将会降低。在通常的混合专家模型 (MoE) 训练中，门控网络往往倾向于主要激活相同的几个专家。这种情况可能会自我加强，因为受欢迎的专家训练得更快，因此它们更容易被选择。为了缓解这个问题，引入了一个 辅助损失，旨在鼓励给予所有专家相同的重要性。这个损失确保所有专家接收到大致相等数量的训练样本，从而平衡了专家之间的选择。接下来的部分还将探讨专家容量的概念，它引入了一个关于专家可以处理多少令牌的阈值。在 transformers 库中，可以通过 aux_loss 参数来控制辅助损失。

MoEs and Transformers

Transformer 类模型明确表明，增加参数数量可以提高性能，因此谷歌使用 GShard 尝试将 Transformer 模型的参数量扩展到超过 6000 亿并不令人惊讶。

GShard 将在编码器和解码器中的每个前馈网络 (FFN) 层中的替换为使用 Top-2 门控的混合专家模型 (MoE) 层。下图展示了编码器部分的结构。这种架构对于大规模计算非常有效: 当扩展到多个设备时，MoE 层在不同设备间共享，而其他所有层则在每个设备上复制。我们将在 “让 MoE 起飞”部分对这一点进行更详细的讨论。

为了保持负载平衡和训练效率，GShard 的作者除了引入了上一节中讨论的类似辅助损失外，还引入了一些关键变化:

GShard 的工作对适用于 MoE 的并行计算模式也做出了重要贡献，但这些内容的讨论超出了这篇博客的范围。

注意: 在推理过程中，只有部分专家被激活。同时，有些计算过程是共享的，例如自注意力 (self-attention) 机制，它适用于所有令牌。这就解释了为什么我们可以使用相当于 12B 稠密模型的计算资源来运行一个包含 8 个专家的 47B 模型。如果我们采用 Top-2 门控，模型会使用高达 14B 的参数。但是，由于自注意力操作 (专家间共享) 的存在，实际上模型运行时使用的参数数量是 12B。

Switch Transformers

尽管混合专家模型 (MoE) 显示出了很大的潜力，但它们在训练和微调过程中存在稳定性问题。Switch Transformers 是一项非常激动人心的工作，它深入研究了这些话题。作者甚至在 Hugging Face 上发布了一个 1.6 万亿参数的 MoE，拥有 2048 个专家，你可以使用 transformers 库来运行它。Switch Transformers 实现了与 T5-XXL 相比 4 倍的预训练速度提升。

就像在 GShard 中一样，作者用混合专家模型 (MoE) 层替换了前馈网络 (FFN) 层。Switch Transformers 提出了一个 Switch Transformer 层，它接收两个输入 (两个不同的令牌) 并拥有四个专家。

与最初使用至少两个专家的想法相反，Switch Transformers 采用了简化的单专家策略。这种方法的效果包括:

Switch Transformers 也对 专家容量 这个概念进行了研究。

$$
\text{Expert Capacity} = \left(\frac{\text{tokens per batch}}{\text{number of experts}}\right) \times \text{capacity factor}
$$

上述建议的容量是将批次中的令牌数量均匀分配到各个专家。如果我们使用大于 1 的容量因子，我们为令牌分配不完全平衡时提供了一个缓冲。增加容量因子会导致更高的设备间通信成本，因此这是一个需要考虑的权衡。特别值得注意的是，Switch Transformers 在低容量因子 (例如 1 至 1.25) 下表现出色。

Switch Transformer 的作者还重新审视并简化了前面章节中提到的负载均衡损失。在训练期间，对于每个 Switch 层的辅助损失被添加到总模型损失中。这种损失鼓励均匀路由，并可以使用超参数进行加权。

作者还尝试了混合精度的方法，例如用 bfloat16 精度训练专家，同时对其余计算使用全精度进行。较低的精度可以减少处理器间的通信成本、计算成本以及存储张量的内存。然而，在最初的实验中，当专家和门控网络都使用 bfloat16 精度训练时，出现了不稳定的训练现象。这种不稳定性特别是由路由计算引起的，因为路由涉及指数函数等操作，这些操作对精度要求较高。因此，为了保持计算的稳定性和精确性，保持更高的精度是重要的。为了减轻不稳定性，路由过程也使用了全精度。

这个 Jupyter Notebook 展示了如何对 Switch Transformers 进行微调以进行摘要生成的详细指南。然而，在开始微调 Switch Transformers 之前，强烈建议您先阅读关于微调混合专家模型部分的内容。

Switch Transformers 采用了编码器 – 解码器的架构，实现了与 T5 类似的混合专家模型 (MoE) 版本。GLaM 这篇工作探索了如何使用仅为原来 1/3 的计算资源 (因为 MoE 模型在训练时需要的计算量较少，从而能够显著降低碳足迹) 来训练与 GPT-3 质量相匹配的模型来提高这些模型的规模。作者专注于仅解码器 (decoder-only) 的模型以及少样本和单样本评估，而不是微调。他们使用了 Top-2 路由和更大的容量因子。此外，他们探讨了将容量因子作为一个动态度量，根据训练和评估期间所使用的计算量进行调整。

用 Router z-loss 稳定模型训练

之前讨论的平衡损失可能会导致稳定性问题。我们可以使用许多方法来稳定稀疏模型的训练，但这可能会牺牲模型质量。例如，引入 dropout 可以提高稳定性，但会导致模型质量下降。另一方面，增加更多的乘法分量可以提高质量，但会降低模型稳定性。

ST-MoE 引入的 Router z-loss 在保持了模型性能的同时显著提升了训练的稳定性。这种损失机制通过惩罚门控网络输入的较大 logits 来起作用，目的是促使数值的绝对大小保持较小，这样可以有效减少计算中的舍入误差。这一点对于那些依赖指数函数进行计算的门控网络尤其重要。为了深入了解这一机制，建议参考原始论文以获得更全面的细节。

专家如何学习？

ST-MoE 的研究者们发现，编码器中不同的专家倾向于专注于特定类型的令牌或浅层概念。例如，某些专家可能专门处理标点符号，而其他专家则专注于专有名词等。与此相反，解码器中的专家通常具有较低的专业化程度。此外，研究者们还对这一模型进行了多语言训练。尽管人们可能会预期每个专家处理一种特定语言，但实际上并非如此。由于令牌路由和负载均衡的机制，没有任何专家被特定配置以专门处理某一特定语言。

ST-MoE 论文中显示了哪些令牌组被发送给了哪个专家的表格

专家的数量对预训练有何影响？

增加更多专家可以提升处理样本的效率和加速模型的运算速度，但这些优势随着专家数量的增加而递减 (尤其是当专家数量达到 256 或 512 之后更为明显)。同时，这也意味着在推理过程中，需要更多的显存来加载整个模型。值得注意的是，Switch Transformers 的研究表明，其在大规模模型中的特性在小规模模型下也同样适用，即便是每层仅包含 2、4 或 8 个专家。

微调混合专家模型

4.36.0 版本的 transformers 库支持 Mixtral 模型。你可以用以下命令进行安装: pip install "transformers==4.36.0 --upgrade

稠密模型和稀疏模型在过拟合的动态表现上存在显著差异。稀疏模型更易于出现过拟合现象，因此在处理这些模型时，尝试更强的内部正则化措施是有益的，比如使用更高比例的 dropout。例如，我们可以为稠密层设定一个较低的 dropout 率，而为稀疏层设置一个更高的 dropout 率，以此来优化模型性能。

在微调过程中是否使用辅助损失是一个需要决策的问题。ST-MoE 的作者尝试关闭辅助损失，发现即使高达 11% 的令牌被丢弃，模型的质量也没有显著受到影响。令牌丢弃可能是一种正则化形式，有助于防止过拟合。

Switch Transformers 的作者观察到，在相同的预训练困惑度下，稀疏模型在下游任务中的表现不如对应的稠密模型，特别是在重理解任务 (如 SuperGLUE) 上。另一方面，对于知识密集型任务 (如 TriviaQA)，稀疏模型的表现异常出色。作者还观察到，在微调过程中，较少的专家的数量有助于改善性能。另一个关于泛化问题确认的发现是，模型在小型任务上表现较差，但在大型任务上表现良好。

在小任务 (左图) 中，我们可以看到明显的过拟合，因为稀疏模型在验证集中的表现要差得多。在较大的任务 (右图) 中，MoE 则表现良好。该图来自 ST-MoE 论文

一种可行的微调策略是尝试冻结所有非专家层的权重。实践中，这会导致性能大幅下降，但这符合我们的预期，因为混合专家模型 (MoE) 层占据了网络的主要部分。我们可以尝试相反的方法: 仅冻结 MoE 层的参数。实验结果显示，这种方法几乎与更新所有参数的效果相当。这种做法可以加速微调过程，并降低显存需求。

通过仅冻结 MoE 层，我们可以在保持质量的同时加快训练速度。该图来自 ST-MoE 论文

在微调稀疏混合专家模型 (MoE) 时需要考虑的最后一个问题是，它们有特别的微调超参数设置——例如，稀疏模型往往更适合使用较小的批量大小和较高的学习率，这样可以获得更好的训练效果。

降低学习率和调大批量可以提升稀疏模型微调质量。该图来自 ST-MoE 论文

此时，您可能会对人们微调 MoE 中遇到的这些挑战而感到沮丧，但最近的一篇论文 《MoEs Meets Instruction Tuning》 (2023 年 7 月) 带来了令人兴奋的发现。这篇论文进行了以下实验:

当研究者们对 MoE 和对应性能相当的 T5 模型进行微调时，他们发现 T5 的对应模型表现更为出色。然而，当研究者们对 Flan T5 (一种 T5 的指令优化版本) 的 MoE 版本进行微调时，MoE 的性能显著提升。更值得注意的是，Flan-MoE 相比原始 MoE 的性能提升幅度超过了 Flan T5 相对于原始 T5 的提升，这意味着 MoE 模型可能从指令式微调中获益更多，甚至超过了稠密模型。此外，MoE 在多任务学习中表现更佳。与之前关闭 辅助损失 函数的做法相反，实际上这种损失函数可以帮助防止过拟合。

与稠密模型相比，稀疏模型从指令微调中受益更多。该图来自 MoEs Meets instructions Tuning 论文

稀疏 VS 稠密，如何选择?

稀疏混合专家模型 (MoE) 适用于拥有多台机器且要求高吞吐量的场景。在固定的预训练计算资源下，稀疏模型往往能够实现更优的效果。相反，在显存较少且吞吐量要求不高的场景，稠密模型则是更合适的选择。

注意: 直接比较稀疏模型和稠密模型的参数数量是不恰当的，因为这两类模型基于的概念和参数量的计算方法完全不同。

让 MoE 起飞

最初的混合专家模型 (MoE) 设计采用了分支结构，这导致了计算效率低下。这种低效主要是因为 GPU 并不是为处理这种结构而设计的，而且由于设备间需要传递数据，网络带宽常常成为性能瓶颈。在接下来的讨论中，我们会讨论一些现有的研究成果，旨在使这些模型在预训练和推理阶段更加高效和实用。我们来看看如何优化 MoE 模型，让 MoE 起飞。

并行计算

让我们简要回顾一下并行计算的几种形式:

在专家并行中，专家被放置在不同的节点上，每个节点处理不同批次的训练样本。对于非 MoE 层，专家并行的行为与数据并行相同。对于 MoE 层，序列中的令牌被发送到拥有所需专家的节点。

Switch Transformers 论文中展示如何使用不同的并行技术在节点上分割数据和模型的插图

容量因子和通信开销

提高容量因子 (Capacity Factor, CF) 可以增强模型的性能，但这也意味着更高的通信成本和对保存激活值的显存的需求。在设备通信带宽有限的情况下，选择较小的容量因子可能是更佳的策略。一个合理的初始设置是采用 Top-2 路由、1.25 的容量因子，同时每个节点配置一个专家。在评估性能时，应根据需要调整容量因子，以在设备间的通信成本和计算成本之间找到一个平衡点。

部署技术

您可以在 Inference Endpoints 部署 mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1。

部署混合专家模型 (MoE) 的一个关键挑战是其庞大的参数规模。对于本地使用情况，我们可能希望使用更小的模型。为了使模型更适合部署，下面是几种有用的技术:

高效训练

FasterMoE (2022 年 3 月) 深入分析了 MoE 在不同并行策略下的理论性能极限，并且探索了一系列创新技术，包括用于专家权重调整的方法、减少延迟的细粒度通信调度技术，以及一个基于最低延迟进行专家选择的拓扑感知门控机制。这些技术的结合使得 MoE 运行速度提升高达 17 倍。

Megablocks (2022 年 11 月) 则专注于通过开发新的 GPU kernel 来处理 MoE 模型中的动态性，以实现更高效的稀疏预训练。其核心优势在于，它不会丢弃任何令牌，并能高效地适应现代硬件架构 (支持块稀疏矩阵乘)，从而达到显著的加速效果。Megablocks 的创新之处在于，它不像传统 MoE 那样使用批量矩阵乘法 (这通常假设所有专家形状相同且处理相同数量的令牌)，而是将 MoE 层表示为块稀疏操作，可以灵活适应不均衡的令牌分配。

针对不同规模的专家和令牌数量的块稀疏矩阵乘法。该图来自 [MegaBlocks](https://arxiv.org/abs/2211.15841) 论文

开源混合专家模型

目前，下面这些开源项目可以用于训练混合专家模型 (MoE):

对于开源的混合专家模型 (MoE)，你可以关注下面这些:

一些有趣的研究方向

首先是尝试将稀疏混合专家模型 (SMoE) 蒸馏 回到具有更少实际参数但相似等价参数量的稠密模型。

MoE 的 量化 也是一个有趣的研究领域。例如，QMoE (2023 年 10 月) 通过将 MoE 量化到每个参数不到 1 位，将 1.6 万亿参数的 Switch Transformer 所需的存储从 3.2TB 压缩到仅 160GB。

简而言之，一些值得探索的有趣领域包括:

相关资源

Citation

@misc {sanseviero2023moe,
    author       = { Omar Sanseviero and
                     Lewis Tunstall and
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    publisher    = { Hugging Face Blog }
}

Sanseviero, et al., "Mixture of Experts Explained", Hugging Face Blog, 2023.

英文原文: https://hf.co/blog/moe

原文作者: Omar Sanseviero, Lewis Tunstall, Philipp Schmid, Sourab Mangrulkar, Younes Belkada, Pedro Cuenca

译者: xinyu66 (Xinyu Yang)

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