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Deepseek-V2技术报告解读！全网最细！

发布时间：2024年07月18日

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深度求索Deepseek近日发布了v2版本的模型，沿袭了1月发布的 Deepseek-MoE（混合专家模型）的技术路线，采用大量的小参数专家进行建模，同时在训练和推理上加入了更多的优化。沿袭了一贯的作风，Deepseek对模型（基座和对话对齐版本）进行了完全的mit协议开源，可以商用。对于算力不是那么充足的开发者，官方提供了API调用的方案，费用更是达到了全场最低！

在技术报告的开始，Deepseek团队用多个数字和两张图直观地概括了目前模型取得的效果。模型参数量方面达到236B ，同时由于模型小专家混合的特性，模型在推理时的激活参数很少，可以实现高推理速度。在通用能力的表现上，模型在MMLU多选题benchmark上拿到分，取得了第二名，Deepseek-V2在众多开源模型中表现仅次于70B 的 LLaMA3，超过了他们此前发布的V1代67B的非MoE模型。在成本效率方面，相比V1的稠密模型，V2模型节约了的训练成本，减少了推理时的 KV-cache 显存占用，将生成的吞吐量也提升到了原来的倍。借助YaRN优化的长度外推训练方法，模型的上下文能力得以扩展到了128k大小。下面我们结合代码和技术报告，对Deepseek-V2模型进行详细的解读。

核心优化解析

在这里我们结合官方技术报告中的模型架构图辅助说明，介绍模型的核心优化点——多头隐式注意力（Multi-head Latent Attention,MLA）：

如上图右下所示，大模型使用kv-cache进行模型的解码加速，但是当序列较长的情况下很容易出现显存不足的问题，MLA从这一角度出发，致力于减少kv缓存的占用。

MLA从LoRA的成功借鉴经验，实现了比GQA这种通过复制参数压缩矩阵尺度的方法更为节省的低秩推理，同时对模型的效果损耗不大。我们首先结合配置文件中的这几行了解下每个部分的作用：

"hidden_size": 5120,
"kv_lora_rank": 512,
"moe_intermediate_size": 1536,
"q_lora_rank": 1536,
"qk_nope_head_dim": 128,
"qk_rope_head_dim": 64

模型处理上一层计算出的隐藏状态（hidden_size=5120）时，首先会将模型的q压缩到 q_lora_rank这一维度（设定为1536），再扩展到 q_b_proj 的输出维度（num_heads * q_head_dim），最后切分成 q_pe 和 q_nope 两个部分，在训练部分中我们将看到这样设计的作用。

##### __init__ #####
self.q_head_dim = config.qk_nope_head_dim + config.qk_rope_head_dim # =192
self.q_a_proj = nn.Linear(
   self.hidden_size, config.q_lora_rank, bias=config.attention_bias
)
self.q_a_layernorm = DeepseekV2RMSNorm(config.q_lora_rank)
self.q_b_proj = nn.Linear(
   config.q_lora_rank, self.num_heads * self.q_head_dim, bias=False
)
##### forward #####
bsz, q_len, _ = hidden_states.size()

q = self.q_b_proj(self.q_a_layernorm(self.q_a_proj(hidden_states)))
# q (bsz, q_len, 24576)
q = q.view(bsz, q_len, self.num_heads, self.q_head_dim).transpose(1, 2)
# q (bsz, q_len, 128, 192)

q_nope, q_pe = torch.split(
    q, [self.qk_nope_head_dim, self.qk_rope_head_dim], dim=-1
)
# 将最后一层 192 的hidden_states切分为 128 (qk_nope_head_dim) + 64 (qk_rope_head_dim)

对于kv矩阵的设计，模型使用了kv压缩矩阵设计（只有576维），在训练时进行先降维再升维。在模型推理的时候，需要缓存的量变成 compressed_kv，经过 kv_b_proj 升高维度得到 k,v 的计算结果。

##### __init__ #####
self.kv_a_proj_with_mqa = nn.Linear(
  self.hidden_size,
  config.kv_lora_rank + config.qk_rope_head_dim,
  bias=config.attention_bias,
)
self.kv_a_layernorm = DeepseekV2RMSNorm(config.kv_lora_rank)
self.kv_b_proj = nn.Linear(
  config.kv_lora_rank,
  self.num_heads
  * (self.q_head_dim - self.qk_rope_head_dim + self.v_head_dim),
  bias=False,
)

##### forward #####
compressed_kv = self.kv_a_proj_with_mqa(hidden_states)
compressed_kv, k_pe = torch.split(
  compressed_kv, [self.kv_lora_rank, self.qk_rope_head_dim], dim=-1
)
k_pe = k_pe.view(bsz, q_len, 1, self.qk_rope_head_dim).transpose(1, 2)
kv = (
  self.kv_b_proj(self.kv_a_layernorm(compressed_kv))
  .view(bsz, q_len, self.num_heads, self.qk_nope_head_dim + self.v_head_dim)
  .transpose(1, 2)
)

那么，为什么Deepseek-V2要把整个计算流程拆成 q_nope, k_nope, k_pe, k_nope 这四个部分呢？在RoPE的实现中，如果想要直接让模型的 q, k 具有位置性质，通常是这样做的，m,n 代表特定位置的token，R的含义可以查阅RoPE：

计算输出的attention得分时，整个过程变成了：

为了节约KV cache的内存，Deepseek-V2将kv cache压缩到了同一个小矩阵中，后面再解压缩出来：

这个时候注意力得分的计算可以写成：

这个时候我们变得清楚了，我们apply旋转位置编码的时候，标准的不带解压缩的实现是会将原始的K状态直接更新到拼到K前面的，而上面的矩阵运算是使用先左乘，后解压缩的方式，由于矩阵乘法是没有交换律的，因此这种矩阵压缩设定下使用C作为cache直接拼接在数学上是不等价的。为了解决这个问题，Deepseek-V2设计了两个pe结尾的变量用于储存旋转位置编码的信息，将信息存储和旋转编码解耦合开。

之后，将q,k中负责储存信息的部分，负责旋转编码的部分拼接起来，进行标准的attention计算：

k_nope, value_states = torch.split(
  kv, [self.qk_nope_head_dim, self.v_head_dim], dim=-1
)
kv_seq_len = value_states.shape[-2]

cos, sin = self.rotary_emb(value_states, seq_len=kv_seq_len)
q_pe, k_pe = apply_rotary_pos_emb(q_pe, k_pe, cos, sin, position_ids)

query_states = k_pe.new_empty(bsz, self.num_heads, q_len, self.q_head_dim)
query_states[:, :, :, : self.qk_nope_head_dim] = q_nope
query_states[:, :, :, self.qk_nope_head_dim :] = q_pe

key_states = k_pe.new_empty(bsz, self.num_heads, q_len, self.q_head_dim)
key_states[:, :, :, : self.qk_nope_head_dim] = k_nope
key_states[:, :, :, self.qk_nope_head_dim :] = k_pe
if past_key_value is not None:
    cache_kwargs = {"sin": sin, "cos": cos}  # Specific to RoPE models
    key_states, value_states = past_key_value.update(
        key_states, value_states, self.layer_idx, cache_kwargs
    )

attn_weights = (
  torch.matmul(query_states, key_states.transpose(2, 3)) * self.softmax_scale
)

attn_output = torch.matmul(attn_weights, value_states)
attn_output = attn_output.transpose(1, 2).contiguous()
attn_output = attn_output.reshape(bsz, q_len, self.num_heads * self.v_head_dim)
attn_output = self.o_proj(attn_output)

最后将num_head 维度拉平，经过输出矩阵得到模型这一层的输出隐藏状态，仍为 5120 维。

架构解读

我们通过模型的架构图和配置文件对模型设计有一个大致的认知，Deepseek的模型习惯采用 remote_code导入的格式，下载模型后，我们通过官方示例导入模型权重，打印出模型的架构。

DeepseekForCausalLM(
  (model): DeepseekModel(
    (embed_tokens): Embedding(102400, 5120)
    (layers): ModuleList(
      (0): DeepseekDecoderLayer(
        (self_attn): DeepseekAttention(
          (q_a_proj): Linear(in_features=5120, out_features=1536, bias=False)
          (q_a_layernorm): DeepseekRMSNorm()
          (q_b_proj): Linear(in_features=1536, out_features=24576, bias=False)
          (kv_a_proj_with_mqa): Linear(in_features=5120, out_features=576, bias=False)
          (kv_a_layernorm): DeepseekRMSNorm()
          (kv_b_proj): Linear(in_features=5120, out_features=32768, bias=False)
          (o_proj): Linear(in_features=163840, out_features=5120, bias=False)
          (rotary_emb): DeepseekYarnRotaryEmbedding()
        )
        (mlp): DeepseekMLP(
          (gate_proj): Linear(in_features=5120, out_features=12288, bias=False)
          (up_proj): Linear(in_features=5120, out_features=12288, bias=False)
          (down_proj): Linear(in_features=12288, out_features=5120, bias=False)
          (act_fn): SiLU()
        )
        (input_layernorm): DeepseekRMSNorm()
        (post_attention_layernorm): DeepseekRMSNorm()
      )
      (1-59): 59 x DeepseekDecoderLayer(
        (self_attn): DeepseekAttention(
          (q_a_proj): Linear(in_features=5120, out_features=1536, bias=False)
          (q_a_layernorm): DeepseekRMSNorm()
          (q_b_proj): Linear(in_features=1536, out_features=24576, bias=False)
          (kv_a_proj_with_mqa): Linear(in_features=5120, out_features=576, bias=False)
          (kv_a_layernorm): DeepseekRMSNorm()
          (kv_b_proj): Linear(in_features=5120, out_features=32768, bias=False)
          (o_proj): Linear(in_features=163840, out_features=5120, bias=False)
          (rotary_emb): DeepseekYarnRotaryEmbedding()
        )
        (mlp): DeepseekMoE(
          (experts): ModuleList(
            (0-159): 160 x DeepseekMLP(
              (gate_proj): Linear(in_features=5120, out_features=1536, bias=False)
              (up_proj): Linear(in_features=5120, out_features=1536, bias=False)
              (down_proj): Linear(in_features=1536, out_features=5120, bias=False)
              (act_fn): SiLU()
            )
          )
          (gate): MoEGate()
          (shared_experts): DeepseekMLP(
            (gate_proj): Linear(in_features=5120, out_features=3072, bias=False)
            (up_proj): Linear(in_features=5120, out_features=3072, bias=False)
            (down_proj): Linear(in_features=3072, out_features=5120, bias=False)
            (act_fn): SiLU()
          )
        )
        (input_layernorm): DeepseekRMSNorm()
        (post_attention_layernorm): DeepseekRMSNorm()
      )
    )
    (norm): DeepseekRMSNorm()
  )
  (lm_head): Linear(in_features=5120, out_features=102400, bias=False)
)

我们从上往下，从embedding层的维度来看，与Gemma, LLaMA和Qwen的经验一致，Deepseek也选取了较大的输入词表作为模型的输入（数据充足且多样的情况下当然可以这么干），这样做的好处是词表的多样性强，解码的一个token内有多个字，压缩效率很高。

"num_hidden_layers": 60,
"num_key_value_heads": 128,
"num_experts_per_tok": 6,
"n_shared_experts": 2,
"n_routed_experts": 160

通过以上配置分析，模型共有60个层，注意力头数为128，总的门控专家个数为160，每个token计算有6个门控专家被激活，同时还有2个共享专家保持激活状态，共计8个被激活的专家。在经过embedding层后，与Deepseek-MoE保持一致，首先会经过一个共享的大Decoder层进行第一层计算，这层模型的attention计算设定与后续59层基本一致，唯一区别是这一层的mlp层固定为8个专家的宽度，没有门控额外参数激活的设定，这一设置与每层共享专家的设定一样，研究者希望语言生成的公共知识（包含流畅性、逻辑性等）被存储在这里。

而当我们从模型的整体架构选取上来看，层数足够深的时候使用pre-norm方便模型训练，归一化使用RMSNorm，非线性激活函数使用SiLU，attention矩阵不加bias（对flash-attention有好处），这些似乎是如今大厂在训练大模型时候会采用的标配了。

训练

1. MLA设定下的解耦长度外推：模型使用基于进制转换的YaRN进行长度外推训练，在大海捞针测试中表现不错。

1. 模型对齐训练：模型使用对话数据进行SFT，同时评估时重点关注指令遵循能力。在强化对齐阶段也下了很大的功夫，最早出现在Deepseek-Math中的GRPO算法被用来进行偏好对齐训练，这是一种无需在训练中更新通常与Policy Model（被对齐模型）同样大小的 Critic Model 的参数的训练方法，是一种资源优化的 PPO。（注意：还是需要训 Reward Model 的，只是不会在对齐的时候进行参数更新）

GRPO和PPO的对比

Infra

模型训练的工程优化方面（infra）仍有很多给人启示的点。模型使用了pp=16的流水线并行（pipeline parallel），160个专家分ep=8个节点并行（expert parallel），而并未采取任何形式的张量并行（tensor parallel），降低了通信成本，使用了ZeRO-1的数据并行来减少优化器状态的显存占用。训练设施在卡间使用NVLink和NVSwitch，节点间使用InfiniBand交换机，通信优化已经全部拉满。并行策略全部使用自研的HAI-LLM实现。

另外，Deepseek-V2结合算法和工程，提出了资源感知专家负载均衡的方法，保证了专家并行的几个机器雨露均沾，不会出现有些机器空转，有些机器过度占用的情况。在训练时，结合模型本身的专家ensemble特性，各个专家在训练开始的过程中是完全对称的，这种设计如果不做额外的限制，容易出现压力过多分担到某些门控专家的现象，造成这些专家所在的机器节点参数更新频繁，而未发挥作用的专家所在的机器空转。提出了三个维度的均衡优化，把不同机器上专家的协作属性融入到loss计算中：

1. 专家维度的均衡，避免有些专家过度劳累，把知识学杂了：

1. 机器维度的均衡，希望处理每个token的6个专家，尽可能分散到不同的机器上：

1. 通信维度的均衡：虽然前面已经做了机器维度的均衡保证，但我们举一个例子（ep_size=8）：

[tok_0, tok_1, tok_2, ..., tok_n]
算 tok_0 专家所在的机器： 0,1,2,3,5,6
算 tok_1 专家所在的机器： 0,4,2,1,3,7
算 tok_2 专家所在的机器： 0,1,2,3,5,6

这样仍然不行，虽然满足了每个token的专家都很分散，但是机器0,1,2,3的使用过于频繁，4,5,6,7的使用过少。简单来说，目标2，3联合起来，理想状态下是模型参数更新时，专家所在的机器在上方矩阵的行维度最好出现0次或1次，而综合起来看整个矩阵每个机器出现的次数是整体机器使用量的，这样才能实现资源利用均衡。