密集模型的推理能力也能和 DeepSeek-R1 掰手腕了？
华为利用纯昇腾集群训练出的盘古 Ultra，在数学竞赛、编程等推理任务当中，和 R1 打得有来有回。
关键是模型参数量只有 135B，整个训练过程零英伟达含量，而且没有出现损失尖峰。
通过改进的模型架构和系统优化策略，盘古 Ultra 拥有优异的性能表现和 52% 以上的算力利用率。
并且有网友表示，训练过程中没有出现损失尖峰这一特征，似乎此前从未实现。
135B 密集模型比肩 DeepSeek-R1
作为一个参数量 135B 密集模型，盘古 Ultra 达到了同尺度密集模型的最优表现，甚至可以与 DeepSeek-R1 等参数量更大的 MoE 模型竞争。
在预训练阶段模型的评测中，盘古 Ultra 在绝大部分英文基准任务和全部中文任务上取得了最佳性能，优于 Llama 405B、DeepSeek-V3 等 baseline 模型。
尤其在 MMLU、TriviaQA、GSM8K 等具有挑战性的数据集上，盘古 Ultra 展现出了卓越的语言理解和推理能力。
经过指令调优后，盘古 Ultra 的性能进一步提升，尤其在 AIME 2024、MATH-500 等数学推理任务和 LiveCodeBench 等编程竞赛题上达到了 SOTA 水平。
综合来看，盘古 Ultra 超越了包括 GPT-4o、Mistral-Large 2 等强大模型，与 DeepSeek-R1 等 MoE 模型竞争激烈。
同时，盘古 Ultra 在 Arena Hard、MMLU-pro 等涵盖通用语言理解和推理的评测中也表现优异。
那么，为了实现这样的效果，盘古 Ultra 采用了哪些关键技术呢？
“三明治”层归一化架构
如前文所述，盘古 Ultra 是一款 135B 参数量的密集模型，使用了 94 层的网络结构。
盘古 Ultra 采用了分组查询注意力（GQA）机制，包含 96 个查询头（query head）和 8 个键值头（key-value head）。
为了解决训练超深网络面临的不稳定性和收敛困难等问题，盘古 Ultra 在模型架构上做出了两个关键改进 —— 深度缩放的 Sandwich-Norm 层归一化和 TinyInit 参数初始化策略。
传统的 Transformer 通常使用 Pre-LN 层归一化，但在深度模型中，Pre-LN 容易导致每个子层输出尺度的波动，引发训练不稳定。
盘古 Ultra 使用的 Sandwich-Norm 层归一化，则是在残差连接前对每个子层的输出做归一化，并根据网络深度对初始化值进行缩放，从而有效消除了训练过程中的 loss 尖峰，使训练过程更加平稳。
用更容易理解的话说，传统方法仅在每个子层的输入进行归一化，但这种方法针对输出也进行了归一化，形成了 Pre-Norm + 子层 + Post-Norm 的“三明治”结构。
但是，仅仅使用 Sandwich-Norm 还不足以完全消除深度模型训练中的不稳定性 —— 随着网络层数的增加，每一层的输出尺度仍然可能出现累积性的漂移。
为此，盘古 Ultra 在 Sandwich-Norm 的基础上，进一步引入了深度缩放机制，对 Post-Norm 中的放缩参数 γ 进行了深度相关的初始化。
至于整个模型的初始化，传统的初始化通常采用的 Xavier 初始化方法仅考虑模型宽度，而盘古 Ultra 采用的 TinyInit 同时依据模型深度和宽度来缩放初始化权重的标准差。
这种初始化方式有助于在前向传播和反向传播过程中，维持各层梯度的方差在一个合理的范围内，避免了梯度消失或爆炸问题，使得训练过程更加稳定，同时也加速了收敛。
实验表明，TinyInit 在深度模型训练中取得了更好的收敛速度和下游任务性能；同时针对 embedding 层，保持权重的标准差接近 1 也能提升训练稳定性。
另外，盘古团队也针对 Tokenizer 进行了优化，通过在通用中英文、代码、数学等不同领域分别进行词频统计，再合并去重，最终得到了一个兼顾领域覆盖和编码效率的 153376 个 token 的平衡词表。
8192 张昇腾 NPU 训练集群
盘古 Ultra 的整个训练流程主要分为三个阶段 —— 预训练、长上下文扩展和指令调优。
其中预训练又可以分为三个子阶段：
通用阶段：侧重建立语言理解和知识储备，使用了大量中英文通用语料，覆盖网页、书籍、百科等多个来源；
推理阶段：引入更多高质量的数学和代码数据，以增强模型的推理能力。同时还使用 instruction 数据来帮助模型学习执行任务；
退火阶段：帮助模型巩固知识和推理能力，并强化指令遵循能力。大量使用问答对和人类反馈数据。
研究者们采用了基于规则和模型的数据清洗方法，并设计了 curriculum learning 策略，让模型循序渐进地学习不同难度的样本。
预训练中使用了 AdamW 优化器，并动态调整超参数。
预训练后，模型在最长 128K 的长上下文数据上进一步训练，通过扩大 RoPE 的基频来实现长序列建模，以增强处理长文档的能力。
最后的指令调优阶则段使用监督微调（SFT）和强化学习（RL）来使模型更好地适应下游任务，学会执行指令并与人类偏好对齐。
训练设施方面，盘古 Ultra 使用了一个由 8192 个昇腾 AI 处理器组成的大规模计算集群。
集群中每个节点包含 8 个 NPU，通过华为高速缓存一致性互联 HCCS 以全互联的拓扑结构连接，每个 NPU 配备 64GB 内存，节点间则通过 200Gbps 的 RoCE（RDMA over Converged Ethernet）网络互联。
为了实现盘古 Ultra 的高效训练，研究团队还采用了一套系统的并行策略和优化技术。
在并行策略的选择上，盘古 Ultra 综合考虑了模型的规模、数据的特性以及硬件的拓扑，最终采用了数据并行、张量并行、序列并行和流水线并行等多种并行方式的组合：
128 路数据并行，将训练数据分片到不同设备，保证了数据吞吐；
8 路张量并行，利用设备内部高带宽切分层内张量，实现高效通信；
序列并行用于处理超长序列以降低显存压力；
8 段流水线并行，将不同层分布到不同设备，形成高效的计算流水线。
在并行策略的基础上，盘古 Ultra 还从多个角度对训练系统进行了深度优化。
一方面，通过使用 ZeRO（Zero Redundancy Optimizer）分布式优化器，将模型状态分片到不同设备，大幅降低了单个设备的内存占用，在提高数据并行度的同时，确保了每个设备的内存负担在可接受范围内。
另一方面，研究者们通过各种通信和计算优化技术，最小化了通信开销，提升了计算效率：
通过算子融合（Kernel Fusion）将多个小算子合并，减少了内存访问和 kernel 启动；
通过通信计算重叠（Communication-Computation Overlapping）实现通信和计算的深度交织，隐藏通信延迟；
MC^2（Merged Computation & Communication）和 BOA（Batch Optimization Accelerator）分别对张量并行和规范化层的通信进行了专门优化……
在算法、工程、数据各个层面的精细优化下，盘古 Ultra 实现了 52% 以上的算力利用率。
技术报告：
https://github.com/pangu-tech/pangu-ultra/blob/main/pangu-ultra-report.pdf
本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西，原标题《英伟达含量为零！华为密集模型性能比肩 DeepSeek-R1，纯昇腾集群训练》
