揭秘GPT-4核心数据：1.8万亿参数，13万亿训练数据

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AIGC开放社区
2023-07-12

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7月11日，半导体咨询研究公司SemiAnalysis发布文章，对OpenAI的GPT-4模型的架构、训练数据集、参数、成本等重要信息进行了深度揭秘。（地址：https://www.semianalysis.com/p/gpt-4-architecture-infrastructure?nthPub=11）

文章指出，GPT-4的模型参数在1.8万亿左右、13万亿训练数据、一次训练成本6300万美元等。

SemiAnalysis曾曝光过谷歌的内部文件“我们、OpenAI都没有护城河”，其真实性得到了验证。所以，此次爆料的GPT-4大模型数据，不少人认为比较靠谱。

例如，此次爆料的GPT-4的参数在1.8万亿左右。前几天著名黑客George Hotz在接受采访时表示，GPT-4由8个混合模型组成每个模型参数为2200亿，数据上基本一致。

George Hotz接受采访，谈GPT-4的模型参数

SemiAnalysis认为，OpenAI一直不对外公布GPT-4的核心数据，并不是因为风险问题，而是GPT-4大模型是可以复制的。事实上，像谷歌、Meta、Anthropic、百度、字节跳动、腾讯等科技公司，都有实力开发出这样的产品。

「AIGC开放社区」根据SemiAnalysis的文章，对GPT-4大模型的核心数据进行了整理，以下内容仅供参考。

模型架构

GPT-4的模型参数大约是GPT-3 （公布参数为1750亿）的10 倍以上。SemiAnalysis认为，其在120 层网络中总共有1.8万亿参数。

OpenAI通过使用混合专家 (MoE) 模型能够将成本保持在合理水平。在GPT-4模型中使用了 16个专家模型，每个MLP专家大约有1110亿个参数。每个前向传递都会路由其中2个专家。

虽然OpenAI在文献中大量论述了用于选择将每个token路由到哪些专家的高级路由算法，但对于当前的 GPT-4 模型来说，OpenAI的算法相当简单。模型中大约有550亿个参数，被用做注意力机制的共享。

每次的前向传播推理（生成一个token）中，GPT-4只需要使用大约2800亿参数和560TFLOPs。相比之下，纯密集模型每次前向传播需要大约1.8 万亿个参数和约3700 TFLOP 的计算量。

关于混合专家模型：混合专家是一种机器学习模型，通过将多个子模型（称为“专家”）的预测结果进行组合，以获得更好的总体预测效果。

MoE模型的基本思想是，不同的子模型可能会在处理不同类型的输入数据时表现出优势。

例如，在处理图像数据时，某些模型可能擅长识别形状，而其他模型可能擅长识别颜色。通过将这些子模型的预测结果混合在一起，MoE模型可以在各种任务中实现更好的性能。

训练数据

OpenAI大约在13万亿token数据上训练了GPT-4。这些训练数据是重复计算之后的结果，多个 Epoch 中的 token 都计算在内。据悉，谷歌的大模型PaLM 2也使用了大约5万亿token的训练数据。

Epoch数量：针对基于文本的数据进行了 2 个 Epoch 的训练，而针对基于代码的数据进行了 4 个 Epoch 的训练。此外，还有来自 ScaleAI 和内部的数百万行的指令微调数据。

在预训练阶段，GPT-4使用了8k 的上下文长度，而32k的版本是基于预训练后的8K版本微调而来的。

并行策略

并行策略对于在A100GPU进行优化相当重要。为了在所有 A100 GPU上进行并行计算，OpenAI采用了8路张量并行，因为这是NVLink的极限。除此之外，据说OpenAI采用15路并行管线。

理论上，考虑到数据通信和计算时间，15个管线就有些多了。但是一旦加上了KV缓存和成本，如果OpenAI使用的GPU大部分是40GB的A100，那这样的构架在理论上就是有意义的。

至于为什么不使用完整模型的 FSDP，可能是因为通信开销较高。虽然 OpenAI 在大多数节点之间具有高速网络，但可能并非在所有节点之间都具有高速网络。

训练成本

OpenAI训练GPT-4的FLOPS约为2.15e25，在大约25000个A100上训练了90到100天，利用率在32%到36%之间。故障数量过多也是极低利用率的原因，这会导致需要重新从之前的检查点开始训练。

如果OpenAI云计算的成本是差不多1美元/每A100小时的话，那么在这样的条件下，仅一次训练的成本大约是6300万美元。不包括所有的实验、失败的训练和其他成本，例如，数据收集、RLHF、人力成本等。

如果使用约8192个H100 GPU（每小时2 美元）进行预训练，时间降至55 天左右，成本为 2150 万美元。

SemiAnalysis认为，到今年年底，将有 9 家公司拥有更多H100。其中，Meta 将拥有超过 10万个H100，但其中很大一部分将分布在其数据中心用于推理。

专家模型的权衡

MoE是一种在推理过程中减少参数量的很好方法，但同时他会增加参数量。如果OpenAI真的想追求最佳性能，他们需要训练2倍的token数据才能达到。

采用相对比较少的专家模型的原因很多，OpenAI选择16个专家的原因之一在于，在执行许多任务上，更多的专家模型很难泛化，也更难实现收敛。

OpenAI 也做出了多种权衡。例如，在推理过程中处理 MoE 非常困难，因为并非模型的每个部分都在每个 token 生成时被利用。

这意味着在某些部分被使用时，其他部分可能处于闲置状态。在为用户提供服务时，这会严重影响资源利用率。研究人员已经证明使用 64 到 128 个专家比使用 16 个专家能够实现更好的损失，但这仅仅是研究的结果。

选择较少的专家模型有多个原因。OpenAI 选择 16 个专家模型的一大原因是：在许多任务中，更多的专家模型很难泛化，也可能更难收敛。

推理权衡

大型语言模型的推理存在3个主要权衡，这些权衡沿着批量大小（服务的并发用户数量）维度和所使用的芯片数量进行。

延迟：模型必须以合理的延迟做出响应。用户不想在等待其输出时，等待很长的时间。预填充（输入token）和解码（输出token）需要不同的时间来处理。

吞吐量：模型必须每秒输出一定数量的token。用户使用时需要每秒大约 30 个token。较低和较高的吞吐量，对于各种其他用例来说都是可以的。

利用率：运行模型的硬件必须达到高利用率，否则成本太高。虽然较高的延迟和较低的吞吐量，可用于将更多的用户请求分组在一起实现更高的利用率，但它们使其变得更加困难。

GPT-4引入专家混合 (MoE) 的模型架构引面临着一系列全新的困难。每个token生成前的传递都可以路由到不同的专家组。这会影响在较高批量大小下吞吐量、延迟和利用率轴实现的权衡。

OpenAI 在 128 个 GPU 的集群上运行推理。在多个数据中心和地区拥有多个这样的集群。推理是在8路张量并行和16路管道并行下完成的。每个包含 8 个 GPU 的节点只有约 1300亿参数，或者在 FP16 下每个 GPU 小于 30GB，在 FP8/int8 下每个 GPU 小于 15GB。

包含不同专家的各个层不会跨不同节点进行解析，因为这会使网络流量变得不太规则，并且在每个token生成之间重新计算 KV 缓存的成本太高。未来，任何 MoE 模型扩展和条件路由的最大困难是，如何处理 KV 缓存周围的路由。

GPT-4推理成本

与拥有1750亿参数的Davinchi模型相比，GPT-4的成本是其3倍，尽管其前馈参数只增加了1.6倍。这主要是因为GPT-4需要更大的集群，并且实现的利用率更低。

在用128 个A100 GPU进行推理的情况下，GPT-4的8k序列长度每1000个标记的成本为0.0049美元，而在128个H100上推理GPT-4的8k序列长度每1000个标记的成本为0.0021美元。需要注意的是，这是假设有相当高的利用率，并保持较高批大小的情况下。如果 OpenAI 不这样做，他们的利用率会更低，估计成本会增加一倍以上。

多查询注意力

OpenAI和其他科技公司一样，也在使用MQA（Multi-Query Attention）。简单来说只需要一个注意力头，并且可以显著减少KV缓存的内存占用。

即便如此，32k长度的GPT-4肯定无法在40GB的A100上运行，而8k的最大批大小也有上限。

连续批处理

OpenAI实现了可变批大小和连续批处理。这样做是为了允许一定程度的最大延迟，并优化推理成本。