欢迎 Mixtral - 当前 Hugging Face 上最先进的 MoE 模型

最近，Mistral 发布了一个激动人心的大语言模型: Mixtral 8x7b，该模型把开放模型的性能带到了一个新高度，并在许多基准测试上表现优于 GPT-3.5。我们很高兴能够在 Hugging Face 生态系统中全面集成 Mixtral 以对其提供全方位的支持！

Hugging Face 对 Mixtral 的全方位支持包括:

Hub 上的模型，包括模型卡以及相应的许可证 (Apache 2.0)
transformers 的集成
推理终端的集成
TGI 的集成，以支持快速高效的生产级推理
使用 TRL 在单卡上对 Mixtral 进行微调的示例

Mixtral 8x7b 是什么？

Mixtral 的架构与 Mistral 7B 类似，但有一点不同: 它实际上内含了 8 个“专家”模型，这要归功于一种称为“混合专家”(Mixture of Experts，MoE) 的技术。当 MoE 与 transformer 模型相结合时，我们会用稀疏 MoE 层替换掉某些前馈层。MoE 层包含一个路由网络，用于选择将输入词元分派给哪些专家处理。Mixtral 模型为每个词元选择两名专家，因此，尽管其有效参数量是 12B 稠密模型的 4 倍，但其解码速度却能做到与 12B 的稠密模型相当！

欲了解更多有关 MoE 的知识，请参阅我们之前的博文: hf.co/blog/zh/moe。

本次发布的 Mixtral 模型的主要特点:

模型包括基础版和指令版
支持高达 32k 词元的上下文
性能优于 Llama 2 70B，在大多数基准测试上表现不逊于 GPT3.5
支持英语、法语、德语、西班牙语及意大利语
擅长编码，HumanEval 得分为 40.2%
可商用，Apache 2.0 许可证

那么，Mixtral 模型效果到底有多好呢？下面列出了 Mixtral 基础模型与其他先进的开放模型在 LLM 排行榜上表现 (分数越高越好):

模型	许可证	预训练词元数	排行榜得分 ️
mistralai/Mixtral-8x7B-v0.1	Apache 2.0	不详	68.42
meta-llama/Llama-2-70b-hf	Llama 2 许可证	2,000B	67.87
tiiuae/falcon-40b	Apache 2.0	1,000B	61.5
mistralai/Mistral-7B-v0.1	Apache 2.0	不详	60.97
meta-llama/Llama-2-7b-hf	Llama 2 许可证	2,000B	54.32

我们还用 MT-Bench 及 AlpacaEval 等基准对指令版和其它聊天模型进行了对比。下表列出了 Mixtral Instruct 与顶级闭源或开放模型相比的表现 (分数越高越好):

模型	可得性	上下文窗口（词元数）	MT-Bench 得分 ️
GPT-4 Turbo	私有	128k	9.32
GPT-3.5-turbo-0613	私有	16k	8.32
mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1	Apache 2.0	32k	8.30
Claude 2.1	私有	200k	8.18
openchat/openchat_3.5	Apache 2.0	8k	7.81
HuggingFaceH4/zephyr-7b-beta	MIT	8k	7.34
meta-llama/Llama-2-70b-chat-hf	Llama 2 许可证	4k	6.86

令人印象深刻的是，Mixtral Instruct 的性能优于 MT-Bench 上的所有其他开放模型，且是第一个与 GPT-3.5 性能相当的开放模型！

关于命名

Mixtral MoE 模型虽然名字是 Mixtral-8x7B，但它其实并没有 56B 参数。发布后不久，我们就发现不少人被名字误导了，认为该模型的行为类似于 8 个模型的集合，其中每个模型有 7B 个参数，但这种想法其实与 MoE 模型的工作原理不符。实情是，该模型中只有某些层 (前馈层) 是各专家独有的，其余参数与稠密 7B 模型情况相同，是各专家共享的。所以，参数总量并不是 56B，而是 45B 左右。所以可能叫它 Mixtral-45-8e 更贴切，更能符合其架构。更多有关 MoE 如何运行的详细信息，请参阅我们之前发表的《MoE 详解》一文。

提示格式

基础模型没有提示格式，与其他基础模型一样，它可用于序列补全或零样本/少样本推理。你可以对基础模型进行微调，将其适配至自己的应用场景。指令模型有一个非常简单的对话格式。

<s> [INST] User Instruction 1 [/INST] Model answer 1</s> [INST] User instruction 2[/INST]

你必须准确遵循此格式才能有效使用指令模型。稍后我们将展示，使用 transformers 的聊天模板能很轻易地支持这类自定义指令提示格式。

我们不知道的事

与之前的 Mistral 7B 版本一样，对这一新的模型家族，我们也有几个待澄清的问题。比如，我们不知道用于预训练的数据集大小，也不知道它的组成信息以及预处理方式信息。

同样，对于 Mixtral 指令模型，我们对微调数据集或 SFT 和 DPO 使用的超参也知之甚少。

演示

你可以在 Hugging Face Chat 上与 Mixtral Instruct 模型聊天！点击此处开始体验吧。

推理

我们主要提供两种对 Mixtral 模型进行推理的方法:

通过 transformers 的 pipeline() 接口。
通过 TGI，其支持连续组批、张量并行等高级功能，推理速度极快。

以上两种方法均支持半精度 (float16) 及量化权重。由于 Mixtral 模型的参数量大致相当于 45B 参数的稠密模型，因此我们可以对所需的最低显存量作一个估计，如下:

精度	显存需求
float16	>90 GB
8-bit	>45 GB
4-bit	>23 GB

使用 transformers

从 transformers 4.36 版开始，用户就可以用 Hugging Face 生态系统中的所有工具处理 Mixtral 模型，如:

训练和推理脚本及示例
安全文件格式 (safetensors )
与 bitsandbytes (4 比特量化) 、PEFT (参数高效微调) 和 Flash Attention 2 等工具的集成
使用文本生成任务所提供的工具及辅助方法
导出模型以进行部署

用户唯一需要做的是确保 transformers 的版本是最新的:

pip install -U "transformers==4.36.0" --upgrade

下面的代码片段展示了如何使用 transformers 及 4 比特量化来运行推理。由于模型尺寸较大，你需要一张显存至少为 30GB 的卡才能运行，符合要求的卡有 A100 (80 或 40GB 版本) 、A6000 (48GB) 等。

from transformers import AutoTokenizer

import transformers

import torch

model = "mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1"

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model)

pipeline = transformers.pipeline(

    "text-generation",

    model=model,

    model_kwargs={"torch_dtype": torch.float16, "load_in_4bit": True},

)

messages = [{"role": "user", "content": "Explain what a Mixture of Experts is in less than 100 words."}]

prompt = pipeline.tokenizer.apply_chat_template(messages, tokenize=False, add_generation_prompt=True)

outputs = pipeline(prompt, max_new_tokens=256, do_sample=True, temperature=0.7, top_k=50, top_p=0.95)

print(outputs[0]["generated_text"])

<s>[INST] Explain what a Mixture of Experts is in less than 100 words. [/INST] A

Mixture of Experts is an ensemble learning method that combines multiple models,

or "experts," to make more accurate predictions. Each expert specializes in a

different subset of the data, and a gating network determines the appropriate

expert to use for a given input. This approach allows the model to adapt to

complex, non-linear relationships in the data and improve overall performance.

使用 TGI

TGI 是 Hugging Face 开发的生产级推理容器，可用于轻松部署大语言模型。其功能主要有: 连续组批、流式词元输出、多 GPU 张量并行以及生产级的日志记录和跟踪等。

你可在 Hugging Face 的推理终端上部署 Mixtral，其使用 TGI 作为后端。要部署 Mixtral 模型，可至模型页面，然后单击 Deploy -> Inference Endpoints 按钮即可。

注意: 如你的账号 A100 配额不足，可发送邮件至 api-enterprise@huggingface.co 申请升级。

你还可以阅读我们的博文 用 Hugging Face 推理终端部署 LLM 以深入了解如何部署 LLM，该文包含了推理终端支持的超参以及如何使用 Python 和 Javascript 接口来流式生成文本等信息。

你还可以使用 Docker 在 2 张 A100 (80GB) 上本地运行 TGI，如下所示:

docker run --gpus all --shm-size 1g -p 3000:80 -v /data:/data ghcr.io/huggingface/text-generation-inference:1.3.0 \

	--model-id mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1 \

	--num-shard 2 \

	--max-batch-total-tokens 1024000 \

	--max-total-tokens 32000

用 TRL 微调

训练 LLM 在技术和算力上都有较大挑战。本节我们将了解在 Hugging Face 生态系统中如何在单张 A100 GPU 上高效训练 Mixtral。

下面是在 OpenAssistant 的聊天数据集上微调 Mixtral 的示例命令。为了节省内存，我们对注意力块中的所有线性层执行 4 比特量化和 QLoRA。请注意，与稠密 transformer 模型不同，我们不对专家网络中的 MLP 层进行量化，因为它们很稀疏并且量化后 PEFT 效果不好。

首先，安装 TRL 的每日构建版并下载代码库以获取训练脚本:

pip install -U transformers

pip install git+https://github.com/huggingface/trl

git clone https://github.com/huggingface/trl

cd trl

然后，运行脚本:

accelerate launch --config_file examples/accelerate_configs/multi_gpu.yaml --num_processes=1 \

	examples/scripts/sft.py \

	--model_name mistralai/Mixtral-8x7B-v0.1 \

	--dataset_name trl-lib/ultrachat_200k_chatml \

	--batch_size 2 \

	--gradient_accumulation_steps 1 \

	--learning_rate 2e-4 \

	--save_steps 200_000 \

	--use_peft \

	--peft_lora_r 16 --peft_lora_alpha 32 \

	--target_modules q_proj k_proj v_proj o_proj \

	--load_in_4bit

在单张 A100 上训练大约需要 48 小时，但我们可以通过 --num_processes 来调整 GPU 的数量以实现并行。

量化 Mixtral

如上所见，该模型最大的挑战是如何实现普惠，即如何让它能够在消费级硬件上运行。因为即使以半精度 ( torch.float16 ) 加载，它也需要 90GB 显存。

借助 transformers 库，我们支持用户开箱即用地使用 QLoRA 和 GPTQ 等最先进的量化方法进行推理。你可以阅读相应的文档以获取有关我们支持的量化方法的更多信息。

使用 4 比特量化加载 Mixtral

用户还可以通过安装 bitsandbytes 库 ( pip install -U bitsandbytes ) 并将参数 load_in_4bit=True 传给 from_pretrained 方法来加载 4 比特量化的 Mixtral。为了获得更好的性能，我们建议用户使用 bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16 来加载模型。请注意，你的 GPU 显存至少得有 30GB 才能正确运行下面的代码片段。

import torch

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig

model_id = "mistralai/Mixtral-8x7B-Instruct-v0.1"

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)

quantization_config = BitsAndBytesConfig(

    load_in_4bit=True,

    bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16

)

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_id, quantization_config=quantization_config)

prompt = "[INST] Explain what a Mixture of Experts is in less than 100 words. [/INST]"

inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(0)

output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=50)

print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

该 4 比特量化技术由 QLoRA 论文提出，你可以通过相应的 Hugging Face 文档或这篇博文获取更多相关信息。

使用 GPTQ 加载 Mixtral

GPTQ 算法是一种训后量化技术，其中权重矩阵的每一行都是独立量化的，以获取误差最小的量化权重。这些权重被量化为 int4，但在推理过程中会即时恢复为 fp16。与 4 比特 QLoRA 相比，GPTQ 的量化模型是通过对某个数据集进行校准而得的。TheBloke 在 Hub 上分享了很多量化后的 GPTQ 模型，这样大家无需亲自执行校准就可直接使用量化模型。

对于 Mixtral，为了获得更好的性能，我们必须调整一下校准方法，以确保我们不会量化那些专家门控层。量化模型的最终困惑度 (越低越好) 为 4.40 ，而半精度模型为 4.25 。你可在此处找到量化模型，要使用 transformers 运行它，你首先需要更新 auto-gptq 和 optimum 库:

pip install -U optimum auto-gptq

然后是从源代码安装 transformers:

pip install -U git+https://github.com/huggingface/transformers.git

安装好后，只需使用 from_pretrained 方法加载 GPTQ 模型即可:

import torch

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, BitsAndBytesConfig

model_id = "TheBloke/Mixtral-8x7B-v0.1-GPTQ"

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_id)

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_id, device_map="auto")

prompt = "[INST] Explain what a Mixture of Experts is in less than 100 words. [/INST]"

inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(0)

output = model.generate(**inputs, max_new_tokens=50)

print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

请注意，你的 GPU 显存至少得有 30GB 才能运行 Mixtral 模型的 QLoRA 和 GPTQ 版本。如果你如上例一样使用了 device_map="auto" ，则其在 24GB 显存时也可以运行，因此会有一些层被自动卸载到 CPU。

免责声明及正在做的工作

量化: 围绕 MoE 的量化还有许多研究正如火如荼地展开。上文展示了我们基于 TheBloke 所做的一些初步实验，但我们预计随着对该架构研究的深入，会涌现出更多进展！这一领域的进展将会是日新月异的，我们翘首以盼。此外，最近的工作，如 QMoE，实现了 MoE 的亚 1 比特量化，也是值得尝试的方案。
高显存占用: MoE 运行推理速度较快，但对显存的要求也相对较高 (因此需要昂贵的 GPU)。这对本地推理提出了挑战，因为本地推理所拥有的设备显存一般较小。MoE 非常适合多设备大显存的基础设施。对 Mixtral 进行半精度推理需要 90GB 显存。

总结

我们对 Mixtral 的发布感到欢欣鼓舞！我们正围绕 Mixtral 准备更多关于微调和部署文章，尽请期待。

英文原文: https://hf.co/blog/mixtral

原文作者: Lewis Tunstall，Philipp Schmid，Omar Sanseviero，Pedro Cuenca，Olivier Dehaene，Leandro von Werra，Younes Belkada

译者: Matrix Yao (姚伟峰)，英特尔深度学习工程师，工作方向为 transformer-family 模型在各模态数据上的应用及大规模模型的训练推理。