被OpenAI、Mistral AI带火的MoE是怎么回事？一文贯通专家混合架构部署

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11月前

选自 HuggingFace 博客

编译：赵阳

本文将介绍 MoE 的构建模块、训练方法以及在使用它们进行推理时需要考虑的权衡因素。

专家混合 (MoE) 是 LLM 中常用的一种技术，旨在提高其效率和准确性。这种方法的工作原理是将复杂的任务划分为更小、更易于管理的子任务，每个子任务都由专门的迷你模型或「专家」处理。

早些时候，有人爆料 GPT-4 是采用了由 8 个专家模型组成的集成系统。近日，Mistral AI 发布的 Mixtral 8x7B 同样采用这种架构，实现了非常不错的性能（传送门：一条磁力链接席卷 AI 圈，87GB 种子直接开源 8x7B MoE 模型）。

OpenAI 和 Mistral AI 的两波推力，让 MoE 一时间成为开放人工智能社区最热门的话题。

本文将介绍 MoE 的构建模块、训练方法以及在使用它们进行推理时需要考虑的权衡因素。

混合专家架构简称 MoE，它的特点如下：

与稠密模型相比，预训练速度更快；
与参数数量相同的模型相比，推理速度更快；
因为要把所有专家模型都加载在内存中，所以需要大量显存；
在微调方面面临许多挑战，但最近在 MoE 指令微调方面的工作很有希望能解决这些问题。

什么是混合专家（MoE）？

模型的规模是决定模型质量的最重要因素之一。在预算固定的情况下，用较少的步骤训练较大的模型要优于用较多的步骤训练较小的模型。

MoE 可以用较少的计算开销对模型进行预训练，这意味着可以用与稠密模型相同的计算开销，大幅扩大模型或数据集的规模。特别是，在预训练过程中，MoE 模型能更快地达到与稠密模型相同的性能。

那么，究竟什么是 MoE？从 Transformer 模型的角度来说，MoE 包含两个主要元素：

使用稀疏的 MoE 层代替稠密的前馈网络（FFN）层。MoE 层中有一定数量（如 8 个）的「专家」，每个专家都是一个神经网络。实际上，专家可以是 FFN，也可以是更复杂的网络，甚至是 MoE 本身，这样就会形成有多层 MoE 的 MoE。
使用门控网络或者路由来决定将哪个 token 发送给哪个专家。例如，在下图中，「More」被发送给第二个专家，而「Parameters」被发送到第一个专家。如何将 token 通过路由发送给专家是使用 MoE 时需要计划的重点之一，这是因为路由同样由学习到的参数组成，并与网络的其他部分同时进行预训练。

Switch Transformers 中的 MoE 层 (https://arxiv.org/abs/2101.03961)

简而言之，在 MoE 中，一个 MoE 层取代了 transformer 中的每个 FFN 层，MoE 层由一个门控网络和一定数量的专家网络组成。

虽然与稠密模型相比，MoE 具有高效预训练和快速推理等优点，但也面临着一些挑战：

训练：MoE 能够大大提高预训练的计算效率，但在微调过程中难以实现泛化，从而导致过拟合。
推理：虽然 MoE 可能有很多参数，但在推理过程中只使用其中的一部分。与参数数量相同的稠密模型相比，推理速度要快得多。然而，所有参数都需要加载到 RAM 中，因此对内存的要求很高。例如，给定一个像 Mixtral 8x7B 这样的 MoE，需要有足够的显存来容纳一个 47B 参数的稠密模型。为什么是 47B 参数而不是 8 x 7B = 56B？这是因为在 MoE 模型中，只有 FFN 层被视为独立的专家网络，其余模型的参数都是共享的。同时，假设每个 token 只传入两个专家网络，那么推理速度（FLOPs）就像使用 12B 模型（而不是 14B 模型），因为它进行的是 2x7B 的矩阵乘法运算，同时有些层是共享的（后文将详细介绍）。

在对 MoE 有了一个大致的介绍后，一起来了解一下 MoE 的发展轨迹。

MoE 简史

MoE 起源于 1991 年的论文《Adaptive Mixture of Local Experts》（https://www.cs.toronto.edu/~hinton/absps/jjnh91.pdf）。该论文的理念与集合方法类似，都是为由不同网络组成的系统提供监督程序，每个网络处理不同的训练集子集。每个独立的网络或者说专家擅长于输入空间的不同区域。至于如何选择专家这个问题，是由门控网络来决定每个专家网络的权重。在训练过程中，专家网络和门控网络都要接受训练。

2010-2015 年间，两个研究领域的发展共同促成了 MoE 后来的进步：

专家网络组件化：在传统的 MoE 中，整个系统由一个门控网络和多个专家网络组成。在 SVM、高斯过程和其他方法中，研究者们对作为整体模型的 MoE 进行了探索。Eigen、Ranzato 和 Ilya 的研究，将 MoE 作为更深层网络的组成部分进行了探索。MoE 能够作为多层网络中的组成部分，使得模型既庞大又高效成为可能。
条件计算：传统网络每一层都会对所有输入数据进行处理。接着，Yoshua Bengio 研究了根据输入的 token 动态激活或停用组件网络的方法。

这些工作促使研究者们在 NLP 的背景下探索混合专家模型。具体来说，Shazeer 及 Geoffrey Hinton 、Jeff Dean，谷歌的 Chuck Norris 通过对引入稀疏网络，将这一想法扩展到了 137B LSTM（https://arxiv.org/abs/1701.06538），从而即使在大规模下也能保持极快的推理速度。这项工作的重点目标是机器翻译，同时也存在一些缺点，如通信成本高和训练不稳定。

论文 Outrageously Large Neural Network 中的 MoE 层

MoE 可以训练数万亿级参数的模型，例如开源的 1.6T 参数的 Switch Transformer。计算机视觉领域也在探索 MoE，但这里还是先侧重讲解 NLP 领域。

什么是稀疏化？

稀疏化一词来源于条件计算理念。在稠密模型中，所有参数都发挥作用，而稀疏化可以只运行整个系统的某些部分。

前文提到 Shazeer 对机器翻译中的 MoE 进行了探索。条件计算（网络中只有某些部分处于活动状态）使得在不增加计算量的情况下能够扩大模型的规模，因此，每层 MoE 都可以包含成千上万的专家网络。

但是这种设计带来了一些挑战。例如，虽然扩大 batch size 通常更有利于提高模型性能，但 MOE 中的 batch size 会随着数据在激活状态的专家网络中的流动而缩小。例如，如果 batch size 为 10 个 token，其中 5 个 token 可能在一个专家网络中结束，而另外 5 个 token 可能在 5 个不同的专家网络中结束，从而导致 batch size 大小不均和利用率不足的情况。

如何解决这个问题？方法之一是让学习后的门控网络（G）决定向哪些专家网络（E）传达输入信息：

在这种情况下，全部的专家网络会对所有输入进行运算 — 用一种加权乘法的方式。但是，如果 G 为 0 时会怎样呢？这种情况下，就不需要经过相应的专家网络运算，节省了计算开销。那么典型的门控函数又是怎么样的呢？在最传统的设置中，只需使用一个带有 softmax 函数的简单网络。该网络将学习向哪个专家传递输入数据。

Shazeer 的研究还探索了其他门控机制，如 Top-K 噪声门控。这种门控方法会引入一些（可调整的）噪声，然后保留前 K 个。也就是说：

1. 添加一些噪音

2. 只选择前 k 个

3. 用 softmax 激活。

这种稀疏化操作带来了一些有趣的特性。通过使用足够小的 k（例如一个或两个），研究者发现训练和推理速度比激活许多专家网络的设置更快。那为什么不直接保留 top=1 时的专家网络呢？研究者最初的猜想是，需要路由到一个以上的专家，才能让门控网络学习如何路由到不同的专家，因此至少要选择两个专家。Switch Transformer 的部分将重新讨论了这一决策。

为什么要添加噪声？这是为了负载平衡。

MoE 的 token 负载平衡

如前所述，如果所有的 token 都只发送给少数几个受欢迎的专家网络，训练效率将变得低下。通常 MoE 训练中，门控网络会收敛到频繁激活同样的几个专家网络。这种情况会随着训练的进行趋于显著，因为受青睐的专家网络会更快地得到训练，从而更容易被选中。为了缓解这种情况，可以添加一个辅助损失，以鼓励给予所有专家同等的重要性。该损失可确保所有专家获得大致相同数量的训练样本。后文将探讨专家能力的概念，即专家可以处理 token 的数量阈值。在 transformer 中，辅助损失通过 aux_loss 参数显示。

MoE 和 Transformer

Transformer 是一个增加参数数量可以提高性能的非常明显的例子，因此，谷歌顺理成章地在 GShard 上沿用这种思维，将其中 Transformers 的参数量扩展到 6000 亿以上。

GShard 在编码器和解码器中都使用了 top-2 门控技术，用 MoE 层取代了 FFN 层。下图显示了编码器的部分情况。

GShard 中的 MoE Transformer 编码器

这种设置对大规模计算非常有利：当扩展到多个设备时，MoE 层将在设备间共享，而所有其他层都将被复制。具体细节在下文的「高效训练 MoE」中进一步讨论。

为了保持均衡负载和规模效率，GShard 的作者除了采用与上一节讨论的类似的辅助损耗外，还引入了一些改进：

随机路由：在 top-2 的设置中，研究者总是选择排名第一的专家，同时第二位专家以与其权重成正比的概率被选中。
专家容量：还可以设定一个阈值，即一个专家可以处理多少 token。如果两位专家的处理能力都已达到阈值，则 token 会被视为溢出，并通过剩余连接发送到下一层（或在其他项目中完全丢弃）。这一概念将成为 MoEs 最重要的概念之一。为什么需要设置专家容量呢？因为所有张量形状都是在编译时静态确定的，但无法提前知道每个专家将获得多少 token 作为输入，所以需要确定容量。

GShard 的贡献在于为 MoEs 确定了并行计算模式。需要注意的是：推理时，只有部分专家网络会被触发。与此同时，还有一些需要共享数据的步骤，比如自注意力机制，适用于所有 token。这就是为什么对于一个由 8 个专家组成的 47B 模型时，GShard 可以用一个 12B 的稠密模型进行计算。如果使用 top-2，则需要 14B 个参数。但考虑到注意力操作是共享的，实际使用的参数数量为 12B。

Switch Transformer

尽管 MoE 前景广阔，但它们在训练和微调不稳定性方面仍有弊端。Switch Transformer （https://arxiv.org/abs/2101.03961）的出现意义非凡，作者甚至在 Hugging Face 发布了一个拥有 2048 个专家的 1.6 万亿个参数的模型（https://huggingface.co/google/switch-c-2048）。与 T5-XXL 相比，Switch Transformer 的预训练速度提高了 4 倍。

Switch Transformer 论文中的 Switch Transformer 层

正如在 GShard 中作者用 MoE 层取代了 FFN 层一样，Switch Transformer 论文提出了一个 Switch Transformer 层，该层接收两个输入（两个不同的 token），有四个专家网络。

与至少使用两个专家网络的最初想法相反，Switch Transformers 采用了简化的单一专家策略。这种方法的效果如下：

减少了路由的计算量
每个专家的 batch size 至少减半
通信成本降低
模型的质量仍能得到保证

Switch Transformer 还探索了专家容量的概念。

上面推荐的容量计算方法是将 batch size 中的 token 数量平均分配给专家。如果使用大于 1 的容量系数，就能在 token 不完全平衡时提供缓冲。增加容量会导致设备间的通信费用增加，因此需要注意 trade-off。尤其是在容量系数较低（1-1.25）的情况下，Switch Transformer 的表现尤为出色。

Switch Transformer 的作者还重新审视并简化了章节中提到的负载平衡损耗。对于每个交换层，辅助损耗会在训练过程中添加到模型总损耗中。这种损耗会鼓励模型倾向于统一路由，并可使用超参数加权。

Switch Transformer 的作者还尝试了选择性精度，例如使用 bfloat16 的参数精度来训练专家，而在其他计算中使用全精度。较低的精度可以降低处理器之间的通信成本、计算成本和用于存储张量的内存。在最初的实验中，专家和门控网络都使用 bfloat16 进行了训练，但训练结果并不稳定。这主要是由于路由网络参与计算造成：由于路由网络具有指数函数，因此更高的精度非常重要。为了减少不稳定性，路由也使用了全精度。

使用选择性精度不会降低质量，并能更快地训练模型。

微调部分中，Switch Transformer 使用了编码器 - 解码器设置，并将 T5 与 MoE 对应。GLaM （https://arxiv.org/abs/2112.06905）探讨了如何用三分之一的计算开销训练出与 GPT-3 质量相匹配的模型，从而扩大模型的规模。GLaM 作者的研究重点是纯解码器模型以及小样本及零样本的评估结果，并不是微调。他们使用了 Top-2 路由和更大的容量系数。此外，他们还将容量因子作为一个指标进行了调研，在训练和验证过程中，可以根据想要使用的计算量进行改变。

稳定训练基于 Z-loss 损失函数的路由网络

上文讨论的平衡损失可能会导致不稳定问题。但是可以使用许多方法以牺牲质量为代价来稳定稀疏模型。例如，引入 dropout 可以提高稳定性，但有损于模型的性能质量。另一方面，添加更多的乘法分量可以提高模型的性能质量，但会降低稳定性。

ST-MoE（https://arxiv.org/abs/2202.08906）中引入的路由器 z 损失，通过惩罚进入门控网络的较大的对数值，在不降低质量的情况下显著提高了训练的稳定性。由于这种损失会鼓励数值变小，因此舍入误差会减少，这对门控中的指数函数会产生很大影响。

专家网络能学到什么？

根据 ST-MoE 作者的观察，编码专家网络专注于组别 token 或浅层概念。例如，标点符号专家、专有名词专家等。另一方面，解码专家网络的专业化程度较低。其作者还在多语言环境中进行了训练。不同于想象之中，每个专家网络都精通一种语言：由于 token 被路由分发和负载平衡的原因，没有任何一种语言的专家网络是专业的。

ST-MoE 论文中的表格，显示不同的 token 组分别被发送给了哪个专家。

扩大专家数量对预训练的影响

专家数量越多，采样效率越高，速度越快，但收益也会递减（尤其是在 256 或 512 的量级之后），推理需要更多的显存。Switch Transformers 中研究的大规模特性在小规模中也是一致的，即使每层有 2、4 或 8 个专家也是如此。

微调 MoE

Mixtral 支持 4.36.0 版本的 transformers 。使用 pip install "transformers==4.36.0 --upgrade 进行更新。

稠密模型和稀疏模型的过拟合动态截然不同。稀疏模型更容易出现过拟合，因此可以在专家本身内部探索更高的正则化（例如，可以为稠密层设定一个 dropout，为稀疏层设定另一个更高的 dropout）。

还有一个需要决策的问题是：是否使用辅助损失（auxiliary loss ）进行微调。ST-MoE 的作者曾尝试关闭辅助损耗，结果发现即使有高达 11% 的 token 被丢弃，质量也没有受到明显影响。token dropping 可能是正则化的一种形式，有助于防止过拟合。

Switch Transformer 的作者观察到，在固定的预训练困惑度下，稀疏模型在下游任务中的表现不如稠密模型，尤其是在推理任务繁重的任务中，如 SuperGLUE。另一方面，在 TriviaQA 等知识密集型语料集中，稀疏模型的表现却好得出乎意料。作者还观察到，专家较少有助于微调。对泛化问题的另一个观察结果是，模型在较小的任务中表现较差，但在较大的任务中表现良好。

在小型任务（左图）中，可以看到明显的过拟合，稀疏模型在验证集中的表现要差得多。而在大型任务中（右图），MoE 的表现很好。图片来自 ST-MoE 论文。

尝试冻结所有非专家权重导致了性能的大幅下降，不过这在意料之中，因为 MoE 层占据了大部分网络。尝试相反的方法：只冻结 MoE 层的参数后，结果发现效果几乎与更新所有参数一样好。这个发现有助于加快微调速度并减少内存占用。

通过只冻结 MoE 层，可以在保证质量的同时加快训练速度。本图来自 ST-MoE 论文。

在微调稀疏化 MoE 时需要考虑的最后一个问题是，不同的 MoE 有不同的微调超参数 — 例如，稀疏模型往往更受益于较小的批大小和较高的学习率。

稀疏模型的微调质量随着学习率的增大和 batch size 的降低而提高。本图来自 ST-MoE 论文。

研究者们一直在努力对 MoE 进行微调，这个过程是充满曲折的。最近的一篇论文《MoEs Meets Instruction Tuning》行了这样的实验：

单任务微调
多任务指令微调
多任务指令调整后进行单任务微调

论文中，当作者微调 MoE 和 T5 后，T5 等效模拟输出的效果更好。当作者对 Flan T5 和 MoE 进行微调后，MoE 的表现明显更好。不仅如此，Flan-MoE 相对于 MoE 的改进幅度大于 Flan T5 相对于 T5 的改进幅度，这表明 MoE 可能比密集模型更受益于指令调优。任务变多会让 MoE 受益更多。与之前建议关闭辅助损失函数的结论不同，损失函数实际上可以防止过拟合。

与稠密模型相比，稀疏模型更受益于 instruct-tuning。图片来自《MoEs Meets Instruction Tuning》论文

何时使用稀疏 MoE，何时使用稠密 MoE？

专家模型适用于使用多台机器的高吞吐量场景。在预训练运算预算固定的情况下，稀疏模型将更为理想。对于显存较少的低吞吐量场景，稠密模型会更好。

注意：不能直接比较稀疏模型和稠密模型的参数量，因为二者所代表的意义明显不同。

高效训练 MoE

最初的 MoE 工作将 MoE 层作为一个分支设置，导致模型计算速度缓慢，因为 GPU 并非为此而设计，而且由于设备需要向其他设备发送信息，网络带宽成为瓶颈。本节将讨论现有的一些工作，以使这些模型的预训练和推理更加实用。

并行计算

并行计算的种类：

数据并行：相同的权重在所有内核上复制，数据在内核上分割。
模型并行：模型在不同内核间分区，数据在不同内核间复制。
模型和数据并行：在不同内核间划分模型和数据。请注意，不同的内核处理不同批次的数据。
专家并行：将专家放在不同的工作站上。如果与数据并行相结合，则每个内核都有不同的专家，数据在所有内核之间进行分割

在专家并行模式下，专家被置于不同的工作站上，每个工作站采集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 token 会被发送到所需的专家所在的工作站。

Switch Transformers 论文中的插图，显示了数据和模型是如何通过不同的并行技术在内核上分割的。

容量系数和通信成本

提高容量因子 (CF) 可以提高模型质量，但会增加通信成本和内存开销。如果全连接通信（all-to-all communications）速度较慢，使用较小的容量因子会更好。这里提供一个可以参考的配置：使用容量系数为 1.25 的 top-2 路由机制，每个内核留有一名专家。在验证过程中，可以改变容量系数以减少计算量。

服务器

mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1 可以被部署到推理终端上。

MoE 的一大缺点是参数较多。本地用例可能希望使用更小的模型。以下是几种有助于本地部署的技术：

Switch Transformer 的作者进行过蒸馏实验。将 MoE 蒸馏到稠密模型中，可以保留 30-40% 的稀疏化增益。因此，蒸馏可以带来更快的预处理速度以及模型更小的好处。
创新的路由算法：将完整的句子或任务路由至专家网络，使用用于提取的子网络来提供服务。
MoE 聚合：这种技术可以合并专家权重，从而减少推理时使用的参数。

其他高效训练的方法

FasterMoE（2022 年 3 月提出）分析了高效分布式系统中 MoE 的性能，并分析了不同并行策略的理论极限，还分析了倾斜专家受欢迎程度的技术、减少延迟的细粒度通信调度，以及根据最低延迟挑选专家的拓扑感知门控，从而使速度提高了 17 倍。

Megablocks（https://arxiv.org/abs/2211.15841）推出了一款全新的 GPU 内核，能处理 MoE 中存在的动态问题，探索了高效的稀疏化预训练。论文中建议不要丢弃任何一个 token，并实现了高效地 token 映射技术，从而显著提高了速度。诀窍在于，传统的 MoE 使用分批矩阵乘法，假定所有专家都具有相同的形状和相同数量的 token。相比之下，Megablocks 将 MoE 层表示为块稀疏运算，可以适应不平衡分配。

针对不同大小的专家和 token 数量的块稀疏矩阵乘法。图片摘自 MegaBlocks 论文。

开源的 MoE 算法

当前的 MoE 开源项目：

Megablocks: https://github.com/stanford-futuredata/megablocks
Fairseq: https://github.com/facebookresearch/fairseq/tree/main/examples/moe_lm
OpenMoE: https://github.com/XueFuzhao/OpenMoE

已发布的 MoE：

Switch Transformer (Google)：从 8 到 2048 个专家的基于 T5 的模拟引擎集合。最大的模型有 1.6 万亿个参数。
NLLB MoE (Meta)：NLLB 翻译模型的 MoE 变体。
OpenMoE：基于 Llama 的 MoE 。
Mixtral 8x7B (Mistral)：一种高质量的翻译模型，其性能优于 Llama 2 70B，推理速度也更快。

未来展望

以下是一些值得探索的有趣的领域：

将 Mixtral 提炼为稠密模型
探索专家模型的合并技术，分析其对推理时间的影响
Mixtral 的量化技术

原文链接：https://huggingface.co/blog/moe?continueFlag=a09556ebd7121bce97f7bbb8eb2598c8

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来源：机器之心

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