AI基础软件：如何自主构建大+小模型？
一、公司介绍
九章云极DataCanvas以创造智能探索平台为使命，怀揣着助力全球企业智能升级的愿景，是中国人工智能基础软件领域的佼佼者。公司专注于自主研发的人工智能基础软件产品系列和解决方案，为用户提供全面的人工智能基础服务，旨在帮助用户在数智化转型过程中轻松实现模型和数据的双向赋能，以低成本高效率的方式提升企业决策能力，从而实现企业级 AI 的规模化应用。
二、AIFS（AI Foundation Software）
在大模型时代，我们需要更高效的算力基础设施，并对其他基础设施和资源进行管理。为了应对这些挑战，九章云极DataCanvas搭建了一个完整的软件体系AIFS（AI Foundation Software），包括模型工具、大模型能力、人工智能基础平台、算力管理四层。
第一层是算力层。当前国产 GPU 也正在迅速崛起，华为等厂商在大模型领域，以及 GPU 领域取得巨大进展。在算力基础设施之上，我们构建 GPU Cloud，可以统一管理异构的 GPU 资源，包括英伟达和国产 GPU。通过这种方式降低工程化成本，并提高资源利用率。
第二层以公司自研的DingoDB多模向量数据库和人工智能开发工具为主。DingoDB是大模型时代的必备软件，作为一个分布式向量数据库，存储多模态的任意大小的数据，具备高并发、低延迟的实时分析能力，处理多模数据，通过 SQL 实现结构化和非结构化数据的 ETL。在DingoDB之上，产品提供了APS Fast Label、APS LMB、 APS Lab、APS Inference人工智能开发工具。
通过这个完整的人工智能技术平台，用户可以高效地应对大模型时代的挑战，快速实现 AI 应用的落地。
第三层包括九章云极DataCanvas发布的DataCanvas Alaya九章元识大模型，其支持视频、图片、文本等多种数据格式。此外，还具备构建小模型的能力，提供包括算法库、场景库、特征库和指标库的“四库全书”。
最后，构建大模型，我们提供了一整套模型构建工具——LMOPS，包括 Prompt Manager（提示管理器）、Large Model Training（大模型训练）和 Large Model Serving（大模型服务）。
AIFS是一款行业领先的人工智能应用构建基础设施平台，可以支持大模型和小模型的构建。AIFS 涵盖了大模型的训练、精调、压缩、部署、推理和监控，以及小模型的全生命周期过程。它支持多种模式的建模，可以满足数据科学家、开发人员以及业务专家不同的建模需求。例如，数据科学家可以按照自己的建模习惯进行建模，开发人员可以从工程的角度去构建大模型，而业务专家则可以从业务的角度出发，在平台上构建自己的大模型和小模型。
此外，AIFS 平台上的不同角色人员可以相互协作，轻松处理数据，并使用这些数据来开发、训练和部署任何规模的模型。这意味着，无论是数据科学家、应用程序开发人员还是业务专家，都可以在 AIFS 平台上找到适合自己的建模方式，并与其他角色人员协作，共同构建人工智能应用。
三、模型构建工具链
在 AIFS 中，有一套完整的工具链，旨在赋能大模型和小模型的构建。首先，从数据准备的角度来看，数据可能包括通用数据、行业数据、私域数据以及指令数据等。在数据接入后，需要进行数据处理，如数据清洗、数据变换和数据增强，针对不同类型的数据采取不同类型的处理方式。数据处理完成后，可以进行数据标注，包括人工标注和智能标注。
数据准备完成后，进入模型开发阶段。在模型开发中，首先需要进行模型选型，如常见的 LLAMA 模型，最近开源的 LLAMA2，以及 Falcon 和 Bloom 等。选定模型后，可以使用前期准备的数据进行训练，以及使用预训练权重进行继续训练等。
训练完成后，可以进行模型微调，如对齐操作。对于中小企业，可能会面临 CPU 资源有限的问题，此时可以利用开源的 PEFT 工具进行高效微调。模型微调对齐完成后，需要对模型进行评估，可以使用如LMS评估工具进行评估。常见的评估指标包括 Ceval 和 MMLU 等。
如果现有的 Benchmark 无法涵盖模型的能力，可以基于 AIFS 构建自己的任务或 Benchmark 进行自定义评估。评估完成后，将模型部署到 LMS 中，进行模型的部署和推理。首先，可能需要对模型进行压缩，如量化剪枝、蒸馏转换等操作。模型压缩完成后，进行部署，支持单机单卡和单机多卡的部署方式。
模型上线后，需要进行模型服务的上线，使用 Prompt Manager 进行模型应用。
1、LMB（Large Model Builder）
LMB（Large Model Builder）是一款专为 AI 工程师打造的大规模预训练模型训练工具，旨在帮助他们快速构建训练流程并实现高效稳定的大模型训练。该工具包括数据准备、分布式训练、断点重训、任务监控、模型评估几个主要模块。
通过这些模块，LMB可以有效地帮助 AI 工程师在大规模预训练过程中快速构建训练流程，并实现高效稳定的大模型训练。
LMB的功能架构从下到上分为几个层次。首先是 GPU Cloud，这是 AIFS 人工智能平台的最后一层，也是抹平基础设施的关键组件。在 GPU Cloud 之上，实现了一层分布式任务调度，包括异构算力的统一管理和调度、资源编排、环境分发、任务分发以及任务监控等功能。再往上，有一键式分布式训练环境，支持多种流行的分布式训练环境预置，如 DeepSpeed、Megatron 和 FSDP 等。
此外，LMB还提供了多种并行方式、梯度累积、混合精度等高效策略，涵盖了包括断点、重新启动等功能。可视化的 FromScratch 界面，让用户能够轻松构建自己的大模型。无论是业务人员还是工程开发人员，都可以通过这个界面选择所需的模型、数据，以及高级或简洁模式等参数，进行训练。训练成功后，用户还可以通过可视化评估功能对模型进行评估。
2、LMT（Large Model Tuning）
LMT，即Large Model Tuning，大模型微调工具，主要帮助 AI 工程师在预训练模型的基础上进行模型的继续训练、微调和评估等工作。通过可视化界面，用户可以设定私域数据、预训练模型以及相应的训练参数，进行记忆训练，并且可以选择性扩充词表，避免灾难性遗忘，提高模型推理精度。
在模型微调方面，LMT 支持专家模式进行设计，同时也提供简洁模式。通过专家模式，用户可以实现一键式的高效 PEF指令微调，包括 LoRA 等多种PEFF 方法以及可视化的 RLHF 训练。
对于模型评估，LMT 支持开源的 Benchmark 自动评估，用户也可以进行自定义评估。用户按照平台规范构建数据集，设定评估方法，就可以进行一些自定义评估。同时，用户也可以手动进行专家评估。最后，LMT 可以将自定义模型和开源模型进行对比，生成一个评估效果的 LeaderBoard。
简而言之，LMT可以为整个大模型调整流程提供支持，从数据准备到继续训练，到指令精调，再到人工对齐、RLHF，最终生成一个 final model。
LMT与LMB 有相似的底层架构，比如 GPU Cloud。与 LMB相比，PEFT 在进行指令微调时的资源需求没有那么高，但它仍然需要一些强大的硬件设施，因此在底层也需要有一个 GPU Cloud 这样的算力支持，来平衡技术设施的投入成本。
再往上的架构与 LMB 相似，提供了一个一键式分布式训练环境，包括DeepSpeed、Megatron、MosaicML等多种分布式训练环境，以及图优化、梯度累积等关键要素。
在这个架构中，入口是数据管理，包括数据标注和 SFT 数据增强。例如，企业客户安装了 LMT 后，可以管理私域数据，并基于这些数据进行 SFT 数据增强。SFT 数据增强有很多方式，比如使用我们的 self instruct 工具进行数据蒸馏，以获得更好的模型。
现在，许多开源的大型模型都是基于英文的，有些可能会支持多语言，但中文的支持相对较少，因此需要对这些模型进行词表扩充。我们的词表扩充有两种方式：一种是在改变 embedding 层后再进行 PFT训练，第二种是使用中英平衡数据进行全量微调。
在完成训练后，可以进行 SFT，可以通过全量微调或 PEFT 微调来实现。在进行人工对齐（如 RLHF）之前，需要先训练出奖励模型，再通过奖励模型训练 SFT 模型，以获得最终的模型。在整个训练过程中，会输出一个 train revert 报告，以帮助大家了解奖励模型在训练 SFT 过程中的表现。
最后，LMT的架构还包括一个任务管理系统，可以监控和调度所有的任务，包括评估任务和三个阶段的训练任务。
3、LMS（Large Model Serving）
LMS（Large Model Serving），即大模型运行工具。所谓运行工具，就是在模型训练和对齐（如人工对齐）完成后，要通过Prompt Manager 消费模型，因此需要将模型提供为一项服务，并通过 HTTP API 或 SDK 进行访问。LMS 主要面向工程技术人员，旨在帮助他们快速、高质量地交付大模型，同时降低运维和运营成本。
在 LMS 的功能流程中，首先涉及到模型管理。启动后，用户可以导入模型，支持通过界面操作和命令操作完成导入。成功导入模型后，可以进行模型压缩，如量化和剪枝操作。接着进行模型评估，评估完成后进行部署，将模型上线为一个服务。
在服务上线后，可以对服务进行监控，包括服务调用次数、调用成功率，以及调用消耗的总时长和平均时长等指标。同时，还需要监控资源消耗情况，例如 CPU 资源、GPU 资源（尤其是GPU 资源的利用率、显存占用率）以及内存占用率等资源指标。通过这些监控，确保大模型服务的稳定性和性能。
接下来，将深入探讨 LMS 的架构。参见上图，左侧是模型管理 Model Store 模块。在 Model Store 中，可以对已导入的模型进行全方位管理，如编辑元信息、评估模型性能等。模型评估涵盖了自动评估和自定义评估等多个方面。在对模型进行压缩之后，可以将其部署并上线。当然，也可以在导入模型后直接在 Model Service 中上线，跳过评估环节。
在 Model Service 中，搭建一个复杂且完善的对外模型服务架构，包括 REST API、gRPC 及其它 API。这些 API 可供 Prompt Manager 调用，同时也支持客户第三方业务系统直接访问。在 Model Service 中，首层为 Server 的 Gateway，主要负责路由不同模型。当某个模型实例面临压力较大或延迟较高时，会根据业务需求进行实例伸缩。
在每个模型实例中，有两个关键要素：交互式推理记忆和 kernel 级加速。交互式推理记忆用于处理与大型模型的多轮交互。例如，向大模型询问推荐食谱，用户可能需要与模型进行多轮对话，而大模型需要保存历史会话，以保持上下文。交互式推理记忆就是用来缓存历史问话，以便在第二次对话时减少 GPU 推理延迟，提高模型服务速度。
另一个关键要素是 kernel 级加速。熟悉底层开发的人员应该都知道，在调用模型底层 API 时，可能会多次调用 kernel。通过 kernel 级加速，可以对 kernel 进行合并操作（把几次请求组成一个tensor），以及操作合并（把两次kernel操作合并成一次操作），从而提高性能。
在消费模型时，可以借助 Prompt Manager 访问知识库，获取相关上下文信息，再访问大模型。
4、Prompt Manager
Prompt Manager是一个提示词设计和构建工具，旨在帮助用户创建更优秀的提示词，引导大模型生成更加准确、可靠且符合预期的输出内容。该工具可以同时面向技术人员和非技术人员，为技术人员提供开发工具包，同时也为非技术人员提供直观易用的人机交互操作模式。
在 Prompt Manager 中，包含了几个核心要素：场景管理、模板管理、提示词开发以及提示词应用。这些要素共同构成了 Prompt Manager 的功能体系，为用户提供了全方位的支持，使其能够更好地利用大模型生成所需的输出内容。
上图展示了 Prompt Manager 的功能架构。自下而上来介绍，首先，在底层，Prompt Manager可以管理大模型服务。通过 LMS 部署的模型对外提供的接口可以配置到 Prompt Manager 中，供提示工程使用。此外，还可以与其它工具（如DingoDB、搜索引擎等）进行集成。
在提示工程方面，包括 single prompt、multiple prompt 和 prompt flow 等开发方式。假设企业内部有一个业务需要多次访问大模型，可以采用两种方式：第一种是在业务系统中将整个流程串起来，每次与大模型的交互后，再进行业务处理；第二种方式是将整个流程封装成一个 prompt flow，这样在第一次访问大模型并获取结果后，可以进行相应处理，然后将结果传递给第二次访问大模型，以 flow 的形式展现整个过程。
此外，Prompt Manager还提供了模板场景、角色定义（如协作作家、程序员等）、prompt开发（包括单个 prompt 和多个 prompt 开发方式）等功能。
最终，可以将 prompt（无论是 prompt flow、single prompt 还是 multiple prompt）提供为一个 prompt 服务，供模型消费。这样，用户可以通过对外开放接口或 SDK 直接访问 prompt 服务。
四、DataCanvas APS 机器学习平台
DataCanvas APS机器学习平台，为数据科学家、应用程序开发人员和业务专家提供一整套工具，以便自主轻松地处理多源异构数据，并快速、高效地开发、训练和部署任何规模的机器学习模型，打通企业级大模型和小模型应用的最后一公里。
此外，DataCanvas APS机器学习平台还具备模型管理功能，构建了智能应用工具包，以便更好地为企业提供模型服务。
DataCanvas APS机器学习平台的关键特性包括：异构多引擎融合架构；支持大数据分析；全分位的开放式；高性能分布式训练解决方案；模型全生命周期管理；领先的自动化机器学习（AutoML）技术。
该平台实现了数据科学家、开发人员和业务专家三位一体的融合建模方式，为数据科学家提供了友好的编码建模环境，为数据工程师提供可视化的拖拽建模工具，而对于业务分析师，即使他们对代码不甚了解，也可以通过自动建模工具进行模型构建。三个角色可以跨团队、跨项目进行合作，实现高效的模型开发。
