大模型推理框架RTP-LLM对LoRA的支持

作者：洛离，文央，李栋瑾，隐智

LoRA(Low-rank Adapter)在大模型（如GPT-3，LLama, Qwen等）中，是一种重要的微调技术。该技术通过在不改变预训练模型参数的同时，添加低阶矩阵，学习新的、特定于任务的参数。这种微调方式不仅维持了模型的高效性能，也显著提升了模型训练和部署的效率。然而当对base model进行规模化多任务微调时，相关部署成本可能会显著增加。基于实际应用场景，成本和效率考虑，我们在RTP-LLM框架上实现了两种LoRA方法：静态LoRA和动态LoRA。

1. 静态LoRA:在模型加载时将LoRA权重叠加到底层模型中，适用于单LoRA的场景，可以提高模型的运行效率和降低计算开销。

2. 动态LoRA:共享基座模型，根据不同的业务场景动态选择适当的LoRA参数。这种方式在保证模型性能的同时，显著节省了显存，提高了模型的适应性和灵活性，使同一种模型服务可以满足多种业务场景的需求。

目前，在阿里集团内部的推理平台-whale已经集成了静态和动态LoRA解决方案，该平台基于RTP-LLM框架，用于部署大型语言模型（LLM）。业务团队可以在whale平台通过一键部署快速将训练好的模型应用到生产环境，从而加速推动创新应用的实施。接下来的内容中深入探讨静态和动态LoRA的工作原理以及它们在现实业务场景中的性能表现，帮助您更好地理解这些技术，并根据实际业务场景选择合适的LoRA方案。

图1

基座模型的多头自注意力机制(Multi-Head Self-Attention)计算公式为：

基座模型的(Feed Forward Network, FFN)计算公式为：

经过LoRA finetune之后模型的attention计算公式为：

经过LoRA finetune模型的FFN层计算公式为：

在只有单一LoRA任务的场景中，可以借鉴LoRA finetune之后的计算公式，并在模型加载时将LoRA权重叠加到base model的权重中，这种实现方式被称为静态LoRA。静态LoRA的主要优点是可以显著减少计算量，提高模型的运行效率。目前whale(大模型管控平台)已经支持了静态LoRA的部署，大家可以体验。

在whale平台部署多个基于相同base model微调的LoRA adapter任务时需每个adapter都作为独立模型实例运行，那么每个实例都需独立分配显存资源(如图2所示)。尤其在LoRA adapter请求比较稀疏的情况下，这种部署方式阻碍了对base model显存的集中管理和优化复用，显存资源以及GPU算力都得不到充分利用，造成了整体GPU的浪费。这种情况下，虽然确保了性能的稳定性，但在资源效率方面存在改进空间。

图2

基于以上背景，我们参考S-LORA提出了动态LoRA的方案。如图3所示。动态LoRA采取分离base model权重和LoRA adapter的策略。推理时根据请求的adapter name，选择对应的LoRA adapter和base model结构加和完成推理。这种设计因其允许adapter之间的秩(rank)不同，具有较强的通用性。

图3

batching策略：针对共享base model的特点，我们对χ AB和χ ω分别采用不同的批处理策略来优化计算效率。对χω的批处理可以直接应用RTP-LLM的原生批处理优化技术:continuous batching。而对于χ AB，尽管其计算成本相对较低且参数少，但处理起来却相对复杂。这是因为输入的序列长度和adapter 的rank都是动态变化的，例如可能同时收到两个不同长度的查询和两个不同rank的adapter请求。为了处理这种情况，如果采用传统的批量GEMM内核，我们需要对某一个维度进行padding，且随着continuous batching rank也会动态变化，还需要动态地进行填充。因此计算χ AB的时候我们不padding，而通过GroupGEMM来实现χ AB batch计算，如图4所示，该方案可以更加高效地适应动态变化的LoRA rank。

图4

tensor-para: 如果把多adapter单base model部署在多卡环境，那就需要tensor-para。RTP-LLM的tensor-para 方案为：根据base model 的tensor-para切分策略，对tensor A或者B其中一个tensor进行冗余存储，这样不会因为计算x AB增加额外计算的通信需求。如图5所示，展示了一个两层MLP的切分方法，W1和W2两个tensor 分别对应的LoRA tensorA和B的切分策略，MLP的切分策略可以拓展到self-attention层。

图5

性能评估：

A10单卡机器上测试了qwen_7b lora_rank=8与base model的性能对比结果：

v100-16GB*4卡机器测试 llama2-13B lora_rank=8, 64，tensor-para=4与base model的性能对比结果：

动态LoRA通过分离base model 和 LoRA adapter 实现了多LoRA 任务base model显存共享，同一种模型服务可以满足多种业务场景的需求。云服务团队基于动态LoRA实现的LLM大模型的检索增强生成（Retrieval Agumented Generation，RAG）SAAS产品已发布，大家可以参考OpenSearch-LLM智能问答版使用指南进行试用。

LoRA动态上下线：在云服务场景中，出于成本和资源效率的考虑，业务通常仅部署一个实例来运行多LoRA任务，而不采用多实例部署。这种策略虽然节约了成本，但在LoRA更新时却可能会面临服务连续性和稳定性的挑战。

当需要对LoRA进行变更时，传统流程需要将整个实例下线，然后重启进程，重新加载base_model 以及多份LoRA adapter。这一过程可能导致至少5分钟以上的服务中断，从而降低了单实例的有效服务时间，并影响用户体验。为了缓解这种情况，RTP-LLM引入了LoRA adapter的热更新机制，这使得在实例提供服务的同时，可以快速更新LoRA adapter，显著减少了变更所需的时间并最小化了服务中断时间。

LoRA topo 管理：在云服务环境中，不同LoRA 任务所需的GPU显存大小不一致， 且不同LoRA任务的流量也呈现出不同的特点：一些LoRA为流量密集型任务，而一些LoRA任务则是流量稀疏的任务。不同的LoRA对GPU的显存和算力的要求不一致，单实例的GPU 资源有限，如何从整体资源效率出发，尽可能的让单实例的GPU资源利用率达到最优是我们在云服务场景面临的一个很重要的难题。目前我们采用智能管理方案来优化大语言模型（LLM）任务的执行流程，该方案包括几个关键步骤：

1. 任务注册与模型性能评估：LoRA任务以及流量需求注册至quota server，同步评估LoRA任务的显存需求和算力需求

2. 选择集群：quota server 综合考量当前集群性能和负载，以及LoRA任务的需求，选取最合适的集群或者新建集群。

3. 资源调度与分配：系统将用户LoRA任务部署通过LoRA热更新机制部署到目标集群，确保资源的高效利用和任务的快速启动。

4. 提供服务：LoRA  任务生效后，提供推理服务

该方案基于LoRA任务的需求来调配LoRA任务的部署。后续我们会做进一步的优化比如根据实时的流量，实现LoRA部署的动态调整，优化资源分布，从而在负载均衡和资源利用率之间找到最佳平衡。提高整体的资源效率。

RTP-LLM通过预加载LoRA Adapter到显存中，有效降低了处理延迟，但显存大小也限制了单实例能支持的LoRA Adapter 的数量与大小。后续我们计划通过优化显存分配策略按需动态管理LoRA的显存占用，来扩大单实例支持的LoRA Adapter 数量。

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《OpenSearch-LLM智能问答》