摘要：低秩適應(yīng)（LoRA）是在下游任務(wù)中通過學(xué)習(xí)低秩增量矩陣對大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型進行微調(diào)的一種流行方法。雖然與完全微調(diào)方法相比，LoRA 及其變體能有效減少可訓(xùn)練參數(shù)的數(shù)量，但它們經(jīng)常會對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行過擬合，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的泛化效果不理想。為了解決這個問題，我們引入了 BiLoRA，這是一種基于雙級優(yōu)化（BLO）的消除過擬合的微調(diào)方法。BiLoRA 采用偽奇異值分解來參數(shù)化低秩增量矩陣，并將偽奇異向量和偽奇異值的訓(xùn)練分成兩個不同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集。這種分割嵌入了 BLO 框架的不同層次，降低了對單一數(shù)據(jù)集過度擬合的風(fēng)險。BiLoRA 在涵蓋自然語言理解和生成任務(wù)的十個數(shù)據(jù)集上進行了測試，并應(yīng)用于各種著名的大型預(yù)訓(xùn)練模型，在可訓(xùn)練參數(shù)數(shù)量相似的情況下，BiLoRA 明顯優(yōu)于 LoRA 方法和其他微調(diào)方法。

https://arxiv.org/abs/2403.13037

Q1: 這篇論文試圖解決什么問題？

A：這篇論文試圖解決的問題是大型預(yù)訓(xùn)練模型在下游任務(wù)中進行微調(diào)時出現(xiàn)的過擬合問題。盡管低秩適應(yīng)（LoRA）及其變體通過學(xué)習(xí)低秩增量矩陣有效地減少了與完全微調(diào)方法相比的可訓(xùn)練參數(shù)數(shù)量，但這些方法往往容易過擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在測試數(shù)據(jù)上泛化性能不佳。為了解決這個問題，論文引入了基于雙層優(yōu)化（BLO）的BiLoRA方法，通過在不同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集上分別訓(xùn)練偽奇異向量和奇異值來減輕過擬合的風(fēng)險。

Q2: 有哪些相關(guān)研究？

A：這篇論文提到了幾項與BiLoRA相關(guān)的研究領(lǐng)域，具體包括：

低秩適應(yīng)（Low-Rank Adaptation, LoRA）:

Li et al. (2018) 和 Aghajanyan et al. (2020) 展示了預(yù)訓(xùn)練模型具有很低的內(nèi)在維度，并且可以通過使用低秩參數(shù)化來實現(xiàn)與全參數(shù)微調(diào)相當?shù)男阅堋?/p>

Hu et al. (2021) 提出了LoRA，通過將低秩更新矩陣引入到預(yù)訓(xùn)練的權(quán)重矩陣中來實現(xiàn)。

其他方法如DyLoRA (Valipour et al., 2022)，QLoRA (Dettmers et al., 2023)，和LoraHub (Huang et al., 2023) 旨在提高LoRA的效率和性能。

雙層優(yōu)化（Bi-level Optimization, BLO）:

BLO在元學(xué)習(xí)（Finn et al., 2017; Rajeswaran et al., 2019），超參數(shù)優(yōu)化（Franceschi et al., 2017; Lorraine et al., 2020），神經(jīng)架構(gòu)搜索（Liu et al., 2018; Zhang et al., 2021），強化學(xué)習(xí)（Rajeswaran et al., 2020）等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

提出了多種算法來解決這種特定形式的優(yōu)化問題，包括零階方法如貝葉斯優(yōu)化（Cui & Bai, 2019），一階算法基于超梯度（Pearlmutter & Siskind, 2008; Lorraine et al., 2020）等。

其他微調(diào)方法:

Full Fine-Tuning (FT) 是一種常用的適應(yīng)方法，涉及對所有模型參數(shù)進行梯度更新。

Bias-only 或 BitFit (Zaken et al., 2021) 只訓(xùn)練偏置向量，而保持預(yù)訓(xùn)練模型中的其他參數(shù)不變。

Prefix-embedding tuning 和 Prefix-layer tuning 是在輸入嵌入或Transformer層之間插入可訓(xùn)練的特定參數(shù)。

Adapter tuning (Houlsby et al., 2019) 通過在神經(jīng)模塊之間插入適配器來適應(yīng)模型。

這些相關(guān)研究為BiLoRA的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)背景。BiLoRA通過結(jié)合LoRA的低秩更新和BLO的雙層優(yōu)化策略，旨在提高大型預(yù)訓(xùn)練模型在特定下游任務(wù)中的泛化能力和微調(diào)效率。

Q3: 論文如何解決這個問題？

A：為了解決大型預(yù)訓(xùn)練模型在下游任務(wù)微調(diào)時的過擬合問題，論文提出了BiLoRA（Bi-level Optimization Framework for Overfitting-Resilient Low-Rank Adaptation）方法，具體解決方案如下：

雙層優(yōu)化（Bi-level Optimization, BLO）:

BiLoRA采用雙層優(yōu)化框架，將參數(shù)學(xué)習(xí)分為兩個層次。在較低層次，優(yōu)化偽奇異向量（P和Q），在較高層次，優(yōu)化偽奇異值（Λ）。

參數(shù)化低秩增量矩陣:

類似于奇異值分解（SVD），每個低秩增量矩陣?W被參數(shù)化為?W = PΛQ，其中P和Q是偽左/右奇異向量矩陣，Λ是偽奇異值對角矩陣。

通過正則化項（R1）鼓勵P和Q的近似正交性。

分離訓(xùn)練過程:

在較低層次，固定Λ，僅在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集D1的一個子集上訓(xùn)練P和Q。

在較高層次，使用從較低層次得到的最優(yōu)P和Q（記為V*(Λ)），在剩余的數(shù)據(jù)集D2上訓(xùn)練Λ。

迭代優(yōu)化:

通過迭代方式交替解決兩個層次的優(yōu)化問題，直到收斂。

正則化偽奇異值:

提供了三種偽奇異值的參數(shù)化形式：實值（Real-Value）、Softmax和近似二值（Approximately Binary），以控制不同奇異向量對最終模型的貢獻。

高效的訓(xùn)練框架:

利用基于梯度的優(yōu)化算法，特別是針對高維問題和大量可訓(xùn)練參數(shù)的情況。

通過這種方法，BiLoRA能夠在不同的數(shù)據(jù)子集上分別學(xué)習(xí)模型的架構(gòu)（Λ）和候選操作（P和Q），從而有效地減少了對單一數(shù)據(jù)集的過擬合風(fēng)險，并提高了模型在測試數(shù)據(jù)上的泛化性能。論文通過在多個自然語言理解和生成任務(wù)的數(shù)據(jù)集上進行實驗，證明了BiLoRA與其他微調(diào)方法相比，在保持相似數(shù)量的可訓(xùn)練參數(shù)的同時，能夠取得更好的性能。

Q4: 論文做了哪些實驗？

A：論文中進行了一系列的實驗來驗證BiLoRA方法的有效性和性能，具體包括：

自然語言理解（NLU）任務(wù):

在GLUE基準測試上評估了RoBERTa和DeBERTa模型。GLUE包含多種NLU任務(wù)，包括情感分析、語義相似性評估、自然語言推理等。

使用開發(fā)集作為測試數(shù)據(jù)，因為GLUE的測試集不公開。

將訓(xùn)練集分為兩個子集，分別作為雙層優(yōu)化中的下層（D1）和上層（D2）數(shù)據(jù)集。

自然語言生成（NLG）任務(wù):

在E2E NLG挑戰(zhàn)賽上評估了GPT-2中大型模型。這個數(shù)據(jù)集用于評估端到端、數(shù)據(jù)驅(qū)動的自然語言生成系統(tǒng)。

遵循Prefix-Tuning和LoRA的設(shè)置，并與LoRA和其他微調(diào)方法進行直接比較。

不同參數(shù)化形式的實驗:

對偽奇異值的三種參數(shù)化形式（Real Value、Softmax和Approximately Binary）進行了實驗，以評估它們對模型性能的影響。

超參數(shù)γ1的影響分析:

分析了正交性促進正則化項中超參數(shù)γ1的不同取值對RoBERTa-base性能的影響。

計算成本比較:

比較了LoRA和BiLoRA在訓(xùn)練時間上的差異，以評估BiLoRA在減少總訓(xùn)練時間方面的效率。

與其他過擬合緩解方法的比較:

對比了增加權(quán)重衰減和采用更激進的秩修剪設(shè)置這兩種常見的過擬合緩解方法在AdaLoRA上的效果。

擴展到大型模型的性能評估:

使用DeBERTa-v2xxlarge（1.5億參數(shù)）模型評估了BiLoRA在非常大型模型上的擴展性能。

這些實驗覆蓋了從模型微調(diào)、正則化策略分析、不同參數(shù)化形式的比較，到計算效率和大規(guī)模模型適應(yīng)性的全面評估，充分證明了BiLoRA方法在減少過擬合、提高泛化能力和計算效率方面的優(yōu)勢。

Q5: 有什么可以進一步探索的點？

A：論文中提到了幾個可以進一步探索的研究方向和潛在的改進點：

偽奇異值的參數(shù)化形式:

論文中提出了三種偽奇異值的參數(shù)化形式：實值、Softmax和近似二值。未來的研究可以探索更多種類的參數(shù)化方法，特別是支持自動秩選擇的參數(shù)化形式。

理論分析:

BiLoRA的雙層優(yōu)化框架提高了微調(diào)模型的泛化能力。未來的工作可以對這種優(yōu)化策略的理論和實際效果進行更深入的分析，以更好地理解其工作原理。

超參數(shù)調(diào)整:

盡管BiLoRA的超參數(shù)調(diào)整相對簡單，但進一步的研究可以探索自動化超參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，例如貝葉斯優(yōu)化或進化算法，以提高BiLoRA的性能和效率。

不同模型架構(gòu)的適應(yīng)性:

論文中的實驗主要針對RoBERTa、DeBERTa和GPT-2模型。BiLoRA方法在其他類型的模型架構(gòu)上的效果和適用性值得進一步研究。

更廣泛的任務(wù)和數(shù)據(jù)集:

盡管BiLoRA在多個NLU和NLG任務(wù)上表現(xiàn)出色，但在更多種類的任務(wù)和更大規(guī)模的數(shù)據(jù)集上的性能尚未得到驗證。未來的研究可以在這些方面進行擴展。

計算效率:

盡管BiLoRA已經(jīng)顯示出比LoRA更少的訓(xùn)練時間，但仍有進一步提高計算效率的空間，例如通過優(yōu)化迭代優(yōu)化步驟或并行化技術(shù)。

模型解釋性:

BiLoRA通過分開訓(xùn)練偽奇異向量和值來減少過擬合。研究這種訓(xùn)練策略如何影響模型的可解釋性和決策過程可能是一個有趣的方向。

長期影響和適應(yīng)性:

研究BiLoRA在長期部署和適應(yīng)新任務(wù)或數(shù)據(jù)時的表現(xiàn)，以及如何整合新知識以最小化性能下降。

這些潛在的研究方向可以進一步推動BiLoRA方法的發(fā)展，并擴展其在自然語言處理和其他機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用。

Q6: 總結(jié)一下論文的主要內(nèi)容？

A：這篇論文的主要內(nèi)容可以總結(jié)如下：

標題: BiLoRA: A Bi-level Optimization Framework for Overfitting-Resilient Low-Rank Adaptation of Large Pre-trained Models

問題陳述: 大型預(yù)訓(xùn)練模型在下游任務(wù)中的微調(diào)經(jīng)常面臨過擬合問題，導(dǎo)致模型在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上表現(xiàn)良好，但在測試數(shù)據(jù)上泛化能力不足。

方法: 為了解決這個問題，論文提出了BiLoRA，一個基于雙層優(yōu)化（BLO）的微調(diào)方法。BiLoRA通過偽奇異值分解（pseudo SVD）的形式參數(shù)化低秩增量矩陣，并在兩個不同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集上分別訓(xùn)練偽奇異向量和偽奇異值。

關(guān)鍵創(chuàng)新:

引入雙層優(yōu)化框架，將參數(shù)學(xué)習(xí)分為兩個層次，分別優(yōu)化偽奇異向量和偽奇異值。

在不同的數(shù)據(jù)子集上訓(xùn)練參數(shù)，減少了對單一數(shù)據(jù)集的過擬合風(fēng)險。

提出了三種偽奇異值的參數(shù)化形式：實值、Softmax和近似二值。

實驗:

在GLUE基準測試上對RoBERTa和DeBERTa模型進行了評估。

在E2E NLG挑戰(zhàn)賽上對GPT-2模型進行了評估。

對比了BiLoRA與LoRA、AdaLoRA和其他微調(diào)方法的性能。

分析了不同參數(shù)化形式和超參數(shù)設(shè)置對模型性能的影響。

結(jié)果: BiLoRA在多個自然語言理解和生成任務(wù)上顯著優(yōu)于LoRA方法和其他微調(diào)方法，同時保持了相似數(shù)量的可訓(xùn)練參數(shù)。

結(jié)論: BiLoRA是一個有效的微調(diào)方法，可以減少大型預(yù)訓(xùn)練模型的過擬合問題，并提高模型在測試數(shù)據(jù)上的泛化性能。論文還提出了未來研究的潛在方向，包括改進參數(shù)化形式、理論分析和計算效率等。

這篇論文為大型預(yù)訓(xùn)練模型的微調(diào)提供了一個新的視角，并通過實驗驗證了其有效性。BiLoRA方法的提出，為NLP社區(qū)提供了一個有價值的工具，以提高模型在各種下游任務(wù)中的性能。

審核編輯：黃飛