2023 年十大人工智能（LLM）必读论文（下）

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*本文 4400 字左右

作者：SEBASTIAN RASCHKA, PHD，原文名称：Ten Noteworthy AI Research Papers of 2023

2023 年，是机器学习和人工智能发展最为迅速的一年，这里和分享分享 10 篇笔者认为最值得关注的论文（今天是第二部分）。

上一篇见： 2023 年十大人工智能（LLM）必读论文（上）

当然，这里主要是以大语言模型（LLM）论文为主。选择标准可能也会稍显主观，但还是基于笔者个人特别喜欢或认为有影响力、值得关注的论文。( 注：这里的排序顺序是推荐阅读顺序，而不是根据质量或影响力排序）。
6）Mistral 7B 尽管 Mistral 7B 论文有些简短，但它提出的模式很有影响力:

决定将这篇论文列入这份名单，是因为 Mistral 7B 模型不仅在发布时非常受欢迎，而且还作为基础模型，促进了其他两个知名模型的进步：Zephyr 7B 与最新的 Mistral Mixture of Experts (MoE) 。而这些是我预见的 2024 年上半年小型 LLM 趋势的良好范例。

在讨论 Zephyr 7B 和 Mistral MoE 模型之前，先简单谈谈 Mistral 7B 本身：
简而言之，Mistral 7B 论文介绍了一个紧凑但功能强大的语言模型，尽管它的规模相对较小，只有 70 亿个 Token，但在各种 benchmark测试中，它的表现却优于更大的同类模型，比如它的表现超过了 13B Llama 2 模型。 ( 除了比其大两倍的 Qwen 14B 之外，Mistral 7B 也是今年 NeurIPS LLM Finetuning Efficiency 挑战赛获胜方案中使用的 base mode）
来自 https://arxiv.org/abs/2310.06825 的注释图，Mistral 7B 和 Llama 13B 的性能比较

Mistral 7B 的性能为什么如此之好的原因尚不清楚，但很可能是和它的训练数据有关。Llama 2 和 Mistral 都没有公布训练数据，因此我们只能推测。
从架构上来看，Mistral 7B 与 Llama 2 共享了 group-query attention，虽然与 Llama 2 非常相似，但 Mistral 架构中的一个有趣的补充是 sliding window attention ，用以节约内存并提高计算吞吐量，从而加快训练速度。 （Sliding window attention was previously proposed in Child et al. 2019 and Beltagy et al. 2020）

Mistral 中使用的The sliding window attention mechanism，本质上是一个固定大小的注意力块 ( fixed-sized attention block)，它只允许当前标记关注特定数量的前一个 Token（ (instead of all previous tokens)如下图所示：

在 7B Mistral 的具体案例中， the attention block size是 4096 个 Token，研究人员训练模型时使用了多达 100,000 个 Token 的 context size。举一个具体的例子，在常规的自注意力机制中，处于第 50,000 个 Token 的模型可以关注之前的所有 49,999 个 token。而在sliding window self-attention 机制中，Mistral 模型只能关注从 45,904 至 50,000 的 Token（因为 50,000 - 4,096 = 45,904）

然而，sliding window self-attention主要用于提高计算性能。而 Mistral 性能优于更大的 Llama 2 模型，很可能不单单是因为sliding window self-attention。

Zephyr 和 Mixtral

Mixtral Mistral 7B 之所以是有影响力的模型，原因在于它可以作为 Zephyr 7B 的base model ，正如上一篇文章（ 2023 年十大人工智能（LLM）必读论文（上） ）在 DPO 部分提到的。Zephyr 7B 是第一个使用 DPO 训练并超越其他替代模型的流行模型，可能为 DPO 成为未来几个月内调整聊天模型的首选方法，铺平了道路。

另一个从 Mistral 7B 衍生出的值得注意的模型是最近发布的 Mistral Mixture of Experts (MoE) model ，也称为 Mixtral-8x7B。这个模型在几个Public benchmarks中匹敌或超过了更大的 Llama-2-70B 模型的性能。 有关更多 Benchmark 测试，请参阅 Mixtral 的官方博客文章公告。Mixtra 团队还发布了经 DPO 调整后的 Mixtral-8x7B-Instruct 模型（但截至目前，尚无与 Llama-2-70-Chat 进行比较的基准测试数据，后者是经过 RLHF 调整的模型）。 也有传闻认为，GPT-4 是由 16 个 submodule组成的 MoE。据说这 16 个 submodule中的每一个都拥有 1110 亿个参数（(for reference, GPT-3 has 175 billion parameters)。不知道 MoE 是否能在 2024 年将开源模型提升到新的高度，看起来 Mixtral 已经提前开始了这一趋势，相信这只是个开始。

Mixture of Experts 101

如果你对 MOE 还比较陌生，可以参考下面的解释： 上面的图表展示了 Switch Transformer 的架构，该架构对每个 Token 使用 1 个Expert ，总共有 4 个Expert。另一方面，Mixtral-8x-7B 由 8 个Expert组成，每个 Token 对应 2 个Expert。
为什么选择 MoE？
结合起来，像 Mixtral 这样的 7B 模型中的 8 个Expert，总共有约 56B 个参数。实际上，它少于 56B，因为 MoE 方法仅应用于 FFN (feed forward network, aka fully-connected) ，而不是self-attention weight matrices。因此，它可能更接近 40-50B 个参数。请注意， Router 会 rerouteToken，这样在前向传播过程中一次只使用<14B 个参数（2x <7B，而不是全部<56B），因此与传统的非 MoE 方法相比，训练（尤其是 inference）将会更快。
如果想要了解更多关于 MOE 的内容，这里有一个 Sophia Yang 推荐的阅读清单：

• The Sparsely-Gated Mixture-of-Experts Layer (2017)
• GShard: Scaling Giant Models with Conditional Computation and Automatic Sharding (2020)
• MegaBlocks: Efficient Sparse Training with Mixture-of-Experts (2022)
• Mixture-of-Experts Meets Instruction Tuning (2023)

此外，如果读者对尝试 MoE 和 LLM 感兴趣，也可以查看 OpenMoE 的repository,在今年早些时候实现并分享了 MoE LLM 地址：https://github.com/XueFuzhao/OpenMoE

其他小型但有竞争力的 LLM Mistral 7B、Zephyr 7B 和 Mixtral-8x7B 是 2023 年小型但功能强大的模型取得进展的优秀例子，这些模型具有公开可用的权重。另一个值得注意的模型，也是我最喜欢的论文列表中其中一个是微软的 phi 系列。phi 的优势在于训练高质量数据，这些数据是通过过滤网络数据获得的。phi 模型在 2023 年分阶段发布，包括 phi-1(1.3B parameters)、phi-1.5(1.3B parameters)）和 phi-2(2.7B parameters)。phi-2 两周前刚刚发布，有说法已经与 Mistral 7B 匹敌甚至超过，尽管它的大小只有一半。
(via the phi-1.5 paper,https://arxiv.org/abs/2309.05463) 更多关于 phi models 的资料：

• Textbooks Are All You Need -- the phi-1 paper
• Textbooks Are All You Need II: phi-1.5 Technical Report
• The Phi-2: The Surprising Power of Small Language Models announcement

7) Orca 2: Teaching Small Language Models How to Reason
这是一篇相对较新的论文，因此时间会证明它是否会在未来数月或数年内对我们如何训练 LLM 产生持久的影响。
收录这篇论文的原因在于：它融合了多个概念和观点：

其一，从 GPT-4 等大型、功能强大的模型中提炼数据，创建一个合成数据集来训练小型但功能强大的 LLM。这一想法在去年发表的《Self-Instruct》论文中有所描述。今年早些时候，Alpaca（根据 ChatGPT 输出 Finetune 的 Llama 模型）真正推广了这种方法。
它是如何工作的？简而言之，主要分为 4 个步骤：

• 用一组人类编写的指令（本例中为 175 条）和示例指令建立任务池；（Seed task pool with a set of human-written instructions (175 in this case) and sample instructions;）
• 使用预训练 LLM（如 GPT-3）确定任务类别；（ Use a pretrained LLM (like GPT-3) to determine the task category）
• 给定新指令，让经过预训练的 LLM 生成响应（Given the new instruction, let a pretrained LLM generate the response）
• 收集、修剪和过滤回复，然后将其添加到任务池中（Collect, prune, and filter the responses before adding them to the task pool）

注释图基于 Self-Instruct 论文，https://arxiv.org/abs/2212.10560 另一个思路可能并不出人意料，但值得强调：高质量的数据对于finetuning非常重要。例如，LIMA 论文 (https://arxiv.org/abs/2305.11206) 提出了一个由人类生成的高质量数据集，该数据集仅包含 1k 个训练示例，可用于微调，其效果优于在 50k ChatGPT 生成的回复上进行finetuning的同一模型。

LIMA 论文中的注释图，https://arxiv.org/abs/2305.11206 与以往严重依赖模仿学习来复制大型模型输出结果的研究不同，Orca 2 的目标是向 "小型"（即 7B 和 13B）LLM 传授各种推理技巧（如逐步推理、先召回再生成等），并帮助它们为每项任务确定最有效的策略。通过这种方法，Orca 2 的表现明显优于类似大小的模型，甚至可以与 5-10 倍大的模型相媲美。 虽然还没有看到这方面的广泛研究，但 Orca 2 方法或许还能解决《the The False Promise of Imitating Proprietary LLMs 》论文中强调的使用合成数据的问题。在这篇论文中，研究人员使用 Alpaca 和 Self-Instruct 等实例，研究了如何对较弱的语言模型进行微调，以模仿 ChatGPT 等较强的专有模型。最初，模仿模型显示出了可喜的成果，与 ChatGPT 相比，它们在遵循指令方面表现良好，并从人群工作者那里获得了有竞争力的评分。然而，更多的后续评估显示，这些模仿模型似乎只在人类观察者面前表现良好，但却经常产生与事实不符的回答。

8) ConvNets Match Vision Transformers at Scale

近年来，由于 Large language transformers 和 vision transformers (ViTs) 的良好性能，我使用它们的频率很高。

在过去的三篇论文中，我从语言模型论文转向了计算机视觉论文，计算机视觉变换器特别吸引人的地方在于，预训练的视觉变换器甚至比卷积神经网络更容易进行 Finetune。还有就是《ConvNets Match Vision Transformers at Scale》这篇论文，该论文显示，如果能够访问足够大的数据集，卷积神经网络（CNN）实际上与 ViTs 具有竞争力。

ConvNets Match Vision Transformers at Scale (https://arxiv.org/abs/2310.16764) 论文中的注释图

在这里，研究人员投入了多达 11 万 TPU 小时的计算预算，对 ViT 和 CNN 进行了公平的比较。结果表明，当使用与 ViTs 通常使用的计算预算类似的计算预算对 CNN 进行预训练时，CNN 的性能可以与 ViTs 相媲美。为此，他们在 JFT 的 40 亿张标注图像上进行了预训练，随后在 ImageNet 上对模型进行了 Finetuning。

9) Segment Anything
在图像和视频中的Object recognition和segmentation，以及分类和生成建模，是计算机视觉的主要研究领域。
简要说明这两项任务之间的区别：Object recognition是预测边界框和相关标签；segmentation则是对每个像素进行分类，以区分前景和背景物体： Object recognition（上图）与 Segmentation（下图）。 图片来自 YOLO 论文（https://arxiv.org/abs/1506.02640）和 Mask R-CNN 论文（https://arxiv.org/abs/1703.06870v3）

Meta 的论文“Segment Anything”论文是开源和图像segmentation研究的一个重要里程碑。该论文介绍了图像segmentation的新任务、新模型和新数据集。随附的图像数据集是迄今为止最大的segmentation数据集，包含超过 10 亿个mask，构建在 1100 万张图像基础上。 SAM 旨在高效、基于提示的图像 Segmentation: 来自“Segment Anything”论文的标注截图， https://arxiv.org/abs/2304.02643

然而，罕见且值得称赞的是，研究人员使用了许可和尊重隐私的图像，因此该模型可以在没有重大版权问题的情况下开源。
The Segment Anything Model 三个主要组成部分，见https://arxiv.org/abs/2304.02643 稍微详细一点，这三个部分可以总结如下：

1. An image encoder utilizing a masked autoencoder based on a pretrained vision transformer (ViT) that can handle high-resolution inputs. This encoder is run once per image and can be applied before prompting the model
2. A prompt encoder that handles two types of prompts: sparse (points, boxes, text) and dense (masks). Points and boxes are represented by positional encodings combined with learned embeddings for each prompt type. And free-form text uses an off-the-shelf text encoder from CLIP. Dense prompts, i.e., masks, are embedded using convolutions and summed element-wise with the image embedding.
3. A mask decoder maps the image embedding, prompt embeddings, and an output token to a mask. This is a decoder-style transformer architecture that computes the mask foreground probability at each image location.

图像segmentation对于自动驾驶汽车、医学成像等应用至关重要。在短短 6 个月内，该论文已经被引用超过 1500 次，并且已经有许多项目在这篇论文的基础上构建。

10) Align your Latents: High-Resolution Video Synthesis with Latent Diffusion Models

Emu 视频：通过显式图像条件分解文本到视频生成，是 Meta 研究部门的另一个值得注意的计算机视觉项目。
Emu 是一个可以从文本提示生成整个视频的文本到视频模型, 虽然它不是第一个令人印象深刻的文本到 视频生成模型，但它与以前的作品相比有很大优势: Emu 与其他文本到视频模型的性能比较，见 https://arxiv.org/abs/2311.10709 正如作者所指出的，与之前的方法相比，Emu 架构的设置相对简单。

本论文作者所指出的，Emu 的架构设置相较于以往的方法来说相对简单。这里的一个主要思想是，Emu 将生成过程分解为两个步骤：首先基于文本生成图像（使用扩散模型），然后基于文本和生成的图像创建视频（使用另一个扩散模型）。

2022 年对于文本到图像模型（如 DALL-E 2、Stable Diffusion 和 Midjourney）来说是重要的一年。尽管文本到图像模型在 2023 年仍然非常受欢迎（尽管大型语言模型（LLMs）在这一年里获得了更多关注），但我认为文本到视频模型即将在在线社区中变得更加普遍。

笔者不是图像或视频设计师，目前我没有使用这些工具的用例；然而，文本到图像和文本到视频模型作为衡量计算机视觉进步的一般指标，仍然值得关注。

新年快乐！

新年快乐！2024 大展宏图，越来越好!

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