梯度视角下的LoRA：简介、分析、猜测及推广

随着ChatGPT及其平替的火热，各种参数高效（Parameter-Efficient）的微调方法也“水涨船高”，其中最流行的方案之一就是本文的主角LoRA了，它出自论文《LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models》。LoRA方法上比较简单直接，而且也有不少现成实现，不管是理解还是使用都很容易上手，所以本身也没太多值得细写的地方了。

然而，直接实现LoRA需要修改网络结构，这略微麻烦了些，同时LoRA给笔者的感觉是很像之前的优化器AdaFactor，所以笔者的问题是：能否从优化器角度来分析和实现LoRA呢？本文就围绕此主题展开讨论。

方法简介 #

以往的一些结果（比如《Exploring Aniversal Intrinsic Task Subspace via Prompt Tuning》）显示，尽管预训练模型的参数量很大，但每个下游任务对应的本征维度（Intrinsic Dimension）并不大，换句话说，理论上我们可以微调非常小的参数量，就能在下游任务取得不错的效果。

LoRA借鉴了上述结果，提出对于预训练的参数矩阵$W_0\in\mathbb{R}^{n\times m}$，我们不去直接微调$W_0$，而是对增量做低秩分解假设：
$$\begin{equation}W = W_0 + A B,\qquad A\in\mathbb{R}^{n\times r},B\in\mathbb{R}^{r\times m}\end{equation}$$
其中$A,B$之一用全零初始化，$W_0$固定不变，优化器只优化$A,B$。由于本征维度很小的结论，所以$r$我们可以取得很小，常见的是$r=8$，极端情况下我们甚至可以取$1$。所以说，LoRA是一种参数高效的微调方法，至少被优化的参数量大大降低了。

用MathJax直接画了个示意图：
$$\style{display: inline-block; width: 24ex; padding: 10ex 0; border: 1px solid #6C8EBF; background-color: #DAE8FC}{W_0\in\mathbb{R}^{n\times m}} \quad + \quad \style{display: inline-block; width: 8ex; padding: 10ex 0; border: 1px solid #D79B00; background-color: #FFE6CC}{A\in\mathbb{R}^{n\times r}}\quad\times\quad \style{display: inline-block; width: 24ex; padding: 3ex 0; border: 1px solid #D79B00; background-color: #FFE6CC}{B\in\mathbb{R}^{r\times m}}$$

梯度分析 #

正如《Ladder Side-Tuning：预训练模型的“过墙梯”》所提到的，很多参数高效的微调实际上只是降低了显存需求，并没有降低计算量。那么LoRA是否例外呢？它在显存和计算量方面的效率如何呢？下面我们来分析一下。

首先，我们知道训练模型所消耗的显存来源包括模型参数、模型梯度、模型激活值、优化器状态四部份，LoRA通过低秩分解降低了模型参数量，那么梯度和优化器状态也会随之降低，因此节省的显存是很明显的。那它能否节省计算量呢？

这取决于LoRA的实现方式，不同的实现方式计算梯度的复杂度不一样。LoRA的两种等效实现如下：
$$\begin{align}Y =&\, XW = X(W_0 + AB) \label{eq:lora-1}\\[5pt] Y =&\, XW_0 + XAB = XW_0 + ZB \label{eq:lora-2}\end{align}$$
其中$X\in\mathbb{R}^{b\times n}$是模型输入，$Z=XA\in\mathbb{R}^{b\times r}$是中间输出。针对实现$\eqref{eq:lora-1}$，我们有
$$\begin{equation}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial A} = \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W} B^{\top} = \left(X^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Y}\right) B^{\top},\quad \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial B} = A^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W} = A^{\top}\left(X^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Y}\right)\label{eq:grad-1}\end{equation}$$
$\mathcal{L}$是损失函数。很明显，这种实现导致的后果是需要算完整梯度$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W}\in\mathbb{R}^{n\times m}$，然后才能算$A,B$的梯度，这意味着它比不LoRA还慢，也费显存。对于实现$\eqref{eq:lora-2}$，我们则有
$$\begin{equation}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial A} = X^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Z} = X^{\top}\left(\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Y} B^{\top}\right),\quad \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial B} = Z^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Y} = (XA)^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Y}\label{eq:grad-2}\end{equation}$$
此时的$Z,\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial Z}\in\mathbb{R}^{b\times r}$，相比完整的梯度显然省了不少，计算复杂度也明显降低。所以，LoRA想要节省显存和计算最大化，关键是按照$\eqref{eq:lora-2}$而不是$\eqref{eq:lora-1}$来实现。

（注：关于矩阵计算梯度，我们可以根据链式法则和输出形状来“凑”，比如$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial A}$，根据链式法则我们知道它必然是$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W}$和$B$以某种方式相乘，我们约定$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial A}$的形状跟$A$一致，即$n\times r$，想要用$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W}$和$B$凑出一个$n\times r$的结果来，那就只有$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W} B^{\top}$了。）

其他原因 #

除了低秩分解带来的好处外，如下几点也是LoRA能节省显存和提速的原因：

1、只更新了部分参数：比如LoRA原论文就选择只更新Self Attention的参数，实际使用时我们还可以选择只更新部分层的参数；

2、减少了通信时间：由于更新的参数量变少了，所以（尤其是多卡训练时）要传输的数据量也变少了，从而减少了传输时间；

3、采用了各种低精度加速技术，如FP16、FP8或者INT8量化等。

当然，这三部分原因确实能加快训练速度，但它们并不是LoRA所独有的，事实上几乎都有参数高效方法都具有这些特点。LoRA的突出优点是它的低秩分解很直观，在不少场景下跟全量微调的效果一致，以及在预测阶段可以直接把$W_0,A,B$合并成单个矩阵从而不增加推理成本。

优化视角 #

梯度$\eqref{eq:grad-1}$还告诉了我们如何从优化器角度来实现LoRA。优化器可以直接获取到全量梯度$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W}$，然后我们只需要按照公式$\eqref{eq:grad-1}$对梯度进行投影，就得到$A,B$的梯度，接着就可以按照常规的优化器实现$A,B$的更新了。

假如优化器是SGD，那么就是
$$\begin{equation}\begin{aligned} A_{t+1} =&\, A_t - \eta\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t} B_t^{\top},\quad B_{t+1} = B_t - \eta A_t^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}\\[5pt] W_{t+1} =&\, W_0 + A_{t+1} B_{t+1} = W_t + (A_{t+1} B_{t+1} - A_t B_t) \end{aligned}\end{equation}$$
如果是Adam之类的带滑动变量的优化器，则只需要滑动投影后的梯度，因此是降低了优化器的参数量，节省了一定的显存。模型越大，这部分参数所占的显存比例也就越大。

LoRA约定$A$或$B$之一使用全零初始化，这是为了保证初始状态模型跟预训练一致，但同时也带来了不对称问题（一个全零，一个非全零）。事实上，$A,B$都使用非全零初始化也是可以的，只需要事先将预训练权重减去$A_0 B_0$就行了，或者等价地说，将$W$参数化为
$$\begin{equation}W = W_0 - A_0 B_0 + A B\end{equation}$$
这样同时保持了初始状态一致，同时允许$A,B$都用非全零初始化，增强了对称性。

随机投影 #

如果我们将SGD场景下的更新量$A_{t+1} B_{t+1} - A_t B_t$展开，结果将是
$$\begin{equation}- \eta\left(\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t} B_t^{\top} B_t + A_t A_t^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}\right) + \eta^2 \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t} B_t^{\top} A_t^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}\end{equation}$$
假设$\eta^2$项是可以忽略的高阶项，那么就剩下
$$\begin{equation}- \eta\left(\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t} B_t^{\top} B_t + A_t A_t^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}\right)\end{equation}$$
从这个角度来看，相比全量微调的SGD，LoRA就是用括号中的结果替代了全量的梯度$\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}$。

简单起见，接下来我们只关心$r=1$的情形，留意到在上式中，$t$时刻的投影向量$A_t,B_t$是依赖于$t$的，如果我们将它们换成不依赖于$t$的随机向量（每步训练都重新随机生成），那么会发生什么呢？我们考虑$u,v\sim\mathcal{N}(0,1)$，其中$u\in\mathbb{R}^{m\times 1}, v\in\mathbb{R}^{1\times n}$，那么更新量就变为
$$\begin{equation}- \eta\left(\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t} v^{\top} v + u u^{\top}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W_t}\right)\end{equation}$$
可以证明的是
$$\begin{equation}\mathbb{E}_{u\sim \mathcal{N}(0,1)}[u u^{\top}] = I_{n\times n},\quad \mathbb{E}_{v\sim \mathcal{N}(0,1)}[v^{\top} v] = I_{m\times m}\end{equation}$$
这里的$I_{n\times n},I_{m\times m}$分别指$n\times n,m\times m$的单位矩阵。因此，跟“零阶梯度”类似，在平均意义下，这种每步都重新初始化的LoRA事实上等价于满秩的SGD。然而，真要按照这个方式实现的话，其速度甚至可能比满秩的SGD都要慢，所以它的目的不是提速，而是希望能缓解灾难遗忘问题——通过对单个（batch）样本使用低秩矩阵（而不是满秩）更新量的方式，减少对整个模型权重的影响。当然，这只是猜测，实际效果如何，笔者还没有实验过。

一个变体 #

同样还是先只考虑$r=1$的情形，LoRA相当于假设了$\Delta w_{i,j} = u_i v_j$，我们能不能做其他低秩分解假设呢？比如$\Delta w_{i,j} = u_i + v_j$？写成矩阵形式就是
$$\begin{equation}W = W_0 + A \mathbb{1}_{1\times m} + \mathbb{1}_{n\times 1} B,\qquad A\in\mathbb{R}^{n\times 1},B\in\mathbb{R}^{1\times m}\end{equation}$$
其中$\mathbb{1}_{1\times m},\mathbb{1}_{n\times 1}$分别指$1\times m,n\times 1$的全1矩阵。容易求出它的梯度是：
$$\begin{equation}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial A} = \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W} \mathbb{1}_{m\times 1},\quad \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial B} = \mathbb{1}_{1\times n}\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial W}\end{equation}$$
其实就是原本梯度的行求和与列求和。相比原版LoRA，这个加性分解有两个优点：1、加比乘计算量更低，梯度形式也更简单；2、$AB$的秩一定是1，但是$A \mathbb{1}_{1\times m} + \mathbb{1}_{n\times 1} B$的秩可能是2，如果秩代表了模型能力的话，那也就是说同样的参数量，加性的表达能力可能还更强。至于具体效果如何，后面笔者用到LoRA的时候，再做对比实验吧。

那么，加性分解能不能推广到$r > 1$的情形呢？自然是可以的，但稍微有些技巧。这里约定$m,n$都能被$r$整除，那么我们只需要将参数化方式改为
$$\begin{equation}W = W_0 + A I_{r(1\times m/r)} + I_{r(n/r\times 1)} B,\qquad A\in\mathbb{R}^{n\times r},B\in\mathbb{R}^{r\times m}\end{equation}$$
这里的$I_{r(1\times m/r)}$、$I_{r(n/r\times 1)}$分别指$1\times m/r$、$n/r\times 1$的分块矩阵，每一块则是$r\times r$的单位阵。这个形式说白了，就是分别将$A$、$B$看成是$n/r\times 1$、$1\times m/r$的分块矩阵，然后套用$r=1$的思路来操作。

文章小结 #

本文介绍了从梯度角度来理解LoRA，除了基本的介绍外，还包含了笔者的一些猜测和推广，供读者参考。

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