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
