近几年，我们已经看到模型规模越来越大，例如 2018 年诞生的 GPT 具有 1.17 亿参数，时隔一年，2019 年 GPT-2 参数量达到 15 亿，2020 年更是将其扩展到 1750 亿参数的 GPT-3。据了解，OpenAI 打造的超级计算机拥有 285000 个 CPU 核以及 10000 个 GPU，供 OpenAI 在上面训练所有的 AI 模型。
大型语言模型虽然训练昂贵，但也有其重要的一面，例如可以在各种任务中执行小样本学习，包括阅读理解、问答。虽然这些模型可以通过简单地使用更多参数来获得更好的性能。但是有没有方法可以更有效地训练和使用这些模型呢？
为了回答这个问题，谷歌推出了具有万亿权重的通用语言模型 (Generalist Language Model，GLaM)，该模型的一大特点就是具有稀疏性，可以高效地进行训练和服务（在计算和资源使用方面），并在多个小样本学习任务上取得有竞争力的性能。
我们来看一下 GLaM 模型的具体情况。
数据集
谷歌首先构建了一个高质量的、具有 1.6 万亿 token 的数据集，该无标签数据集很大一部分来自 Web 页面，其范围从专业写作到低质量的评论和论坛页面。此外，谷歌还开发了一个文本质量过滤器，该过滤器是在维基百科和书籍文本数据集上训练而成，由于过滤器训练的数据集质量很高，所以谷歌将其过滤 Web 网页内容的质量。最后，谷歌应用这个过滤器来生成 Web 网页的最终子集，并将其与书籍和维基百科数据相结合来创建最终的训练数据集。
GLaM 模型架构
GLaM 是混合专家模型 (MoE) ，这种模型可以被认为具有不同的子模型（或专家），每个子模型都专门用于不同的输入。每一层的专家由一个门控网络控制，该门控网络根据输入数据激活专家。对于每个 token（通常是一个词或词的一部分），门控网络选择两个最合适的专家来处理数据。完整的 GLaM 总共有 1.2T 参数，每个 MoE 包含 64 个专家，总共 32 个 MoE 层，但在推理期间，模型只会激活 97B 的参数，占总参数的 8%。
GLaM 的体系架构，每个输入 token 都被动态路由到从 64 个专家网络中选择的两个专家网络中进行预测。
与 GShard MoE Transformer 类似，谷歌用 MoE 层替换其他 transformer 层的单个前馈网络（人工神经网络最简单的一层，如上图蓝色方框中的 Feedforward 或 FFN）。MoE 层有多个专家，每个专家都是具有相同架构但不同权重参数的前馈网络。
尽管 MoE 层有很多参数，但专家是稀疏激活的，这意味着对于给定的输入 token，只使用两个专家，这样做的优势是在限制计算的同时给模型提供更多的容量。在训练期间，每个 MoE 层门控网络都经过训练，使用它的输入来激活每个 token 的最佳两位专家，然后将其用于推理。对于 MoE 层的 E 专家来说，这本质上提供了 E×(E-1) 个不同前馈网络组合的集合，而不是经典 Transformer 中的一个组合，从而带来更大的计算灵活性。
最终学习到的 token 表示来自两个专家输出的加权组合，这使得不同的专家可以激活不同类型的输入。为了能够扩展到更大的模型，GLaM 架构中的每个专家都可以跨越多个计算设备。谷歌使用 GSPMD 编译器后端来解决扩展专家的挑战，并训练了多个变体（基于专家规模和专家数量）来了解稀疏激活语言模型的扩展效果。
评估设置
谷歌使用 zero-shot 和 one-shot 两种设置，其中训练中使用的是未见过的任务。评估基准包括如下：
- 完形填空和完成任务；
- 开放域问答；
- Winograd-style 任务；
- 常识推理；
- 上下文阅读理解；
- SuperGLUE 任务；
- 自然语言推理。
谷歌一共使用了 8 项自然语言生成（NLG）任务，其中生成的短语基于真值目标进行评估（以 Exact Match 和 F1 measure 为指标），以及 21 项自然语言理解（NLU）任务，其中几个 options 中的预测通过条件对数似然来选择。
实验结果
当每个 MoE 层只有一个专家时，GLaM 缩减为一个基于 Transformer 的基础密集模型架构。在所有试验中，谷歌使用「基础密集模型大小 / 每个 MoE 层的专家数量」来描述 GLaM 模型。比如，1B/64E 表示是 1B 参数的密集模型架构，每隔一层由 64 个专家 MoE 层代替。
谷歌测试了 GLaM 的性能和扩展属性，包括在相同数据集上训练的基线密集模型。与最近微软联合英伟达推出的 Megatron-Turing 相比，GLaM 使用 5% margin 时在 7 项不同的任务上实现了不相上下的性能，同时推理过程中使用的算力减少了 4/5。
此外，在推理过程中使用算力更少的情况下，1.2T 参数的稀疏激活模型（GLaM）在更多任务上实现了比 1.75B 参数的密集 GPT-3 模型更好的平均结果。
NLG（左）和 NLU（右）任务上，GLaM 和 GPT-3 的平均得分（越高越好）。
谷歌总结了 29 个基准上，GLaM 与 GPT-3 的性能比较结果。结果显示，GLaM 在 80% 左右的 zero-shot 任务和 90% 左右的 one-shot 任务上超越或持平 GPT-3 的性能。
此外，虽然完整版 GLaM 有 1.2T 的总参数，但在推理过程中每个 token 仅激活 97B 参数（1.2T 的 8%）的子网。
扩展
GLaM 有两种扩展方式：1) 扩展每层的专家数量，其中每个专家都托管在一个计算设备中；2) 扩展每个专家的大小以超出单个设备的限制。为了评估扩展属性，该研究在推理时比较每个 token 的 FLOPS 相似的相应密集模型。
通过增加每个专家的大小，zero-shot 和 one-shot 的平均性能。随着专家大小的增长，推理时每个 token 预测的 FLOPS 也会增加。
如上图所示，跨任务的性能与专家的大小成比例。在生成任务的推理过程中，GLaM 稀疏激活模型的性能也优于 FLOP 类似的密集模型。对于理解任务，研究者观察到它们在较小的规模上性能相似，但稀疏激活模型在较大的规模上性能更好。
数据效率
训练大型语言模型计算密集，因此提高效率有助于降低能耗。该研究展示了完整版 GLaM 的计算成本。
模型推理（左）和训练（右）的计算成本（GFLOPS）。
这些计算成本表明 GLaM 在训练期间使用了更多的计算，因为它在更多的 token 上训练，但在推理期间使用的计算却少得多。下图展示了使用不同数量的 token 进行训练的比较结果，并评估了该模型的学习曲线。
随着训练中处理了更多的 token，稀疏激活型和密集模型在 8 项生成任务上的平均 zero-shot 和 one-shot 性能。
随着训练中处理了更多的 token，稀疏激活型和密集模型在 21 项理解任务上的平均 zero-shot 和 one-shot 性能。
结果表明，稀疏激活模型在达到与密集模型相似的 zero-shot 和 one-shot 性能时，训练时使用的数据显著减少。并且，如果适用的数据量相同，稀疏型模型的表现明显更好。
最后，谷歌对 GLam 的能效进行了评估：
训练期间，GLaM 与 GPT-3 的能耗比较。
虽然 GLaM 在训练期间使用了更多算力，但得益于 GSPMD（谷歌 5 月推出的用于常见机器学习计算图的基于编译器的自动化并行系统）赋能的更高效软件实现和 TPUv4 的优势，它在训练时耗能要少于其他模型。
