news 2026/4/27 23:59:35

大模型训练核心技术:优化器与分布式训练详解

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
大模型训练核心技术:优化器与分布式训练详解

文章详细介绍了大模型训练中的优化器演进(SGD→Adam→AdamW)及其特点,包括动量和自适应步长机制。同时阐述了训练策略三阶段:Warmup预热、Peak峰值和Decay衰减。重点讲解了分布式训练框架DeepSpeed的ZeRO技术,通过切分优化器、梯度和参数来解决显存限制问题,并结合PyTorch、GPU和混合精度等技术,实现高效的大规模模型训练。


一般来说训练都需要优化,

而优化就是需要优化器,

整体训练我们都当作的赛车,模型就是车。

优化器:

这个优化器从SGD和BGD讲起,

SGD:是随机梯度下降,(下降一点点)

BGD是基础梯度下降,(全量)

实际上都不会单独使用,现在是混合使用,mini-SGD:就是SGD+BGD。

然后基于SGD进化出来了,Adam->AdamW。

也就是主流优化器,基本上都是用AdamW:

这个有两个特点:

动量:类似惯性,比如前面几个生成正的,下面一个也就生成正的,

自适应步长:自动给频繁更新的参数减速,同样的,冷门的参数会加速,

还能显式剥离梯度的权重衰减,解决Transformer的架构容易过拟合的问题。

过拟合:学的太好了,把噪音,杂质都学会了,然后出现全新没见过的模型或者数据完全用不了,或者泛化能力差,

欠拟合:根本没学会。

问题:需要大量显存记录历史信息

训练策略:

现在优化器是油门,而踩油门也需要技巧啊,(用不用力的区别)。

Warmup (预热):做法:在训练初期(前几千步),将学习率从 0 线性增加到最大值。

基本上都是:先增加后下降的,

目的:防止随机初始化的模型在刚开始时因为梯度过大而“由于受惊而崩盘”(梯度爆炸)。

**Peak (峰值期)****:做法😗*维持在最大值以最快速度消化海量数据

Decay (衰减):

做法:预热结束后,学习率通常按“余弦曲线”缓慢下降。

目的:训练后期让模型“冷静”下来,进行精细化微调,锁定最优解

可以说学习率就是学习速度而不是学习程度,

整个过程一般是余弦曲线衰减。这里是:起步稳、收敛精、过程丝滑。

最后的一般是很长的曲线,类似退火算法:就是打铁的时候,一般是缓慢降温能稳定。

当学习率不变化了,就是平了:

这个太高就提早进入衰减期,太低就调大最高点的值。

工程实现:

**因为要记录显存所以需要框架:**DeepSpeed / Megatron-LM

DeepSpeed**-zero:**

三个阶段:1优化器,2:优化器+梯度,3:优化器+梯度+参数。

ZeRO-1/2: 把 AdamW 的动量数据切碎,分给不同的显卡背着。

ZeRO-3: 把模型参数也切碎分出去,计算时再临时“借用”。

你需要知道的是****框架不改变AdamW 的公式,它只负责显存优化和多卡通讯。它让几千块 GPU 能像一个超级大脑一样同步工作。

底座:

PyTorch: 提供了张量(Tensor)运算的自动求导引擎,是所有框架运行的基础。

GPU (Tensor Cores): 专门为矩阵乘法设计的硬件单元。

BF16 / FP16 (混合精度): 牺牲一点点精度(从 32 位降到 16 位),换取 2-4 倍的计算速度和减半的显存占用。

存储层次:SRAM: 离核心最近,极小极快。

HBM: 高带宽显存,存放模型和 KV Cache。

需要步骤**:**

所以说,现在以GPT-4举例子训练一个模型需要:

PyTorch 先把数据转换成巨大的 Tensor(张量矩阵)。

DeepSpeed 迅速出手,把这些 Tensor 切碎并分发到成百上千块 GPU 上,解决显存不够的问题。

Warmup 策略开始介入,小心翼翼地把学习率从 0 往上提。

AdamW 接收到这些小心翼翼的梯度,按照动量和自适应的逻辑,开始指挥 GPU 更新模型的参数。

随着模型越来越稳定,学习率开始Decay,模型进入最后的冲刺。

​最后

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