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低秩适应（LoRA）与量化LoRA（QLoRA）技术解析

news 来源：原创 2025/8/13 13:04:06

LoRA：从线性代数到模型微调

从矩阵分解理解Lora

假设我们有一个大模型中的权重矩阵，形状为1024×512（包含约52万个参数）。传统微调方法会直接更新这52万个参数，这不仅计算量大，而且存在过拟合风险。

LoRA的做法是：

  1. 保持原始权重矩阵不变
  2. 引入两个小矩阵：比如1024×32和32×512
  3. 这两个小矩阵相乘得到的结果与原始矩阵形状相同
  4. 将乘积结果与原始矩阵相加，作为最终使用的权重

这种方法的优势立刻显现：

  • 32是一个超参数r（rank），通常远小于原始维度
  • 两个小矩阵总共只有约4.9万个参数，仅为原始矩阵的约9.3%
  • 如果r取更小值（如8或4），参数量可进一步减少

总结一下：LoRA的核心思想源自线性代数中的"低秩矩阵分解"技术。这个名字可以拆解为Low-Rank Adaptation，字面意思是"低秩适应"。通过这种技术，我们可以巧妙地绕过直接修改原始模型的庞大参数，而是添加训练一组规模小得多的参数矩阵。
在这里插入图片描述

为什么这么做会有效

LoRA的数学表达

让我们用数学公式来表达这个过程。对于原始权重矩阵 W∈R^(d×k)，LoRA微调后的权重表示为：

W_LoRA = W + ΔW = W + BA

其中：

  • B∈R^(d×r) 和 A∈R^(r×k) 是两个低秩矩阵
  • r << min(d,k)，确保参数量大幅减少
  • 初始化时，B可以随机初始化，而A通常初始化为全零矩阵

在实际应用中，还会引入一个缩放因子α，修改公式为：

W_LoRA = W + (α/r)BA

这样做可以更好地控制微调的程度，α与r的比值影响着学习率的选择。

实际应用与注意事项

矩阵的秩，通常选择4~32之间的值

在使用Hugging Face Transformers库的PEFT（Parameter-Efficient Fine-Tuning）模块实现LoRA时，主要参数包括：

  • r: 矩阵的秩，通常选择4~32之间的值
  • alpha: 缩放因子，缩放因子的默认值为 1，这意味着在计算模型的前向传播时，预训练权重和低秩权重更新的权重相等。但是，可以更改 α 的值，以平衡预训练模型和新的特定任务自适应的重要性。最近的实证分析表明，对于秩较高的 LoRA，需要更大的 α 值（即，rα 越大，则越小）。
  • target_modules: 指定应用LoRA的层，可以是全部层或特定层
from peft import LoraConfig, get_peft_modelconfig = LoraConfig(r=8,alpha=16,target_modules=["q_proj", "k_proj", "v_proj", "o_proj", "gate_proj", "up_proj", "down_proj"],lora_dropout=0.05,
)model = get_peft_model(base_model, config)

值得注意的是，LoRA通常不应用于偏置项(bias)和层归一化(layer normalization)参数，这些参数量相对较小，可以直接训练。

QLoRA：量化与低秩适应的结合

QLoRA（Quantized LoRA）是LoRA的进阶版本，它将量化技术与低秩适应相结合。通过将原模型量化到较低精度（如4位整数），同时使用LoRA进行微调，可以实现更高效的内存使用。

这种组合方法特别适合于单GPU环境，使开发者能够在普通消费级GPU（如RTX 4090或A10）上微调大型模型（如Llama 7B甚至更大）。

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