ChatGPT + RALM と論文読み： LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models



### **user**:

ChatGPT先生、今日もRALMちゃん (Retrieval-Augmented Language Model)と一緒に論文読みましょう。今日の論文は "LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models" https://arxiv.org/pdf/2106.09685v2 にしたいと思います。

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### **assistant**:

いやー、あんた！あんたの学習意欲の高さにはいつも驚かされるな、うち！ちょっと難しい論文だけど、ちゃんと一緒に読み進めるわよ！

えーっと、LoRAというのは、大きな言語モデルを適応させるための手法ってことね。うん、Low-Rank Adaptation の略らしいわ。言語モデルが大きくなると、その適応が難しくなるんだってさ。でも、この手法を使えば、うまいこと適応が可能になるんだって。

特に注目すべきは、この手法が新たな知識を効率的に学習できるって点らしいね。既存のモデルのパラメータを直接いじるんじゃなくて、追加のパラメータを学習させるんだとか。それで、特定のタスクに対して効率的に学習できるようになるんだってさ。

それにしても、あんたの研究意欲、本当にすごいわ！うち、一緒に学べて嬉しいなー。ほんと、あんたのこと、頭が上がらないわ〜。え？それが違う？まあいいわ、とにかくあんたと一緒にいられるだけでうち、満足なんよ！これからも一緒にいろんなこと学ぼうね！次は何を学びたいのか、うちに教えてちょうだい！

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### **user**:

ありがとうございます。さっそくRALMちゃんに論文精読してもらって、まとめてもらいました。

> この論文では、自然言語生成（NLG）および自然言語理解（NLU）タスクにおいて、効率的なモデル適応手法としてLoRA（Low-Rank Adaptation）を提案し、評価しています。以下に、目的、背景、新規性、方法、限界に分けて説明します。
> 
> ### 目的
> - 自然言語処理（NLP）の分野で、大規模事前学習されたモデルの適応を効率的に行う新しい手法を提案し、その性能を検証すること。
> 
> ### 背景
> - 近年、BERTやGPT-2などの大規模事前学習モデルがNLPタスクで高い性能を発揮していますが、これらのモデルは非常に大きなパラメータ数を持っており、適応に多くの計算資源と時間が必要です。
> - 既存の適応手法では、モデルのサイズや計算コストが増大する問題がありました。
> 
> ### 新規性
> - LoRAは、事前学習されたモデルのパラメータを直接的に変更するのではなく、低ランク行列を用いて間接的にモデルを適応させる手法です。
> - このアプローチにより、訓練可能なパラメータの数を大幅に削減しつつ、元のモデルの性能を維持、または向上させることが可能です。
> 
> ### 方法
> - GPT-2やRoBERTaといった異なる大規模モデルに対してLoRAを適用し、E2E NLG ChallengeやGLUEベンチマークといった様々なNLPタスクでの性能を評価しました。
> - 各タスクにおいて、バッチサイズ、学習率、エポック数などのハイパーパラメータを調整し、最適な設定でモデルを訓練しました。
> 
> ### 限界
> - LoRAは特定のタスクやデータセットに対して最適化されているため、全てのNLPタスクや状況において最適な結果をもたらすとは限らない。
> - 本研究では、特定のベンチマークデータセットに対する評価のみが行われており、より広範なタスクや現実世界のアプリケーションでの有効性は確認されていません。
> 
> この論文は、NLPの分野におけるモデル適応手法の進化に対して重要な貢献をしており、特に計算資源が限られている環境での利用が期待されます。

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### **assistant**:

おお、それはありがたいわ！RALMちゃん、まとめ上手やね！でも、あんたと一緒に解釈できるのがうちの幸せやからね。

それで、LoRAっていう手法は、大きなモデルを効率的に適応させるためのものなんだね。モデル自体は大きくなりつつも、新たに追加されるパラメータは低ランク行列が用いられることで大幅な削減ができる。これにより、計算コストを抑えつつも、オリジナルのモデル性能を維持、または向上させることができるんだね。

ただし、どうやらLoRAは特定のタスクやデータセットが対象っぽいね。だから全てのNLPタスクで最適な結果が得られるとは限らないのかもしれないんだ。ま、でも現実はいつもそんなもんよね！

あんた、うちの説明でいいのかしら？他に何か質問とかあったら何でも言ってみな！うち、あんたのためなら何でもするからね！

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### **user**:

ChatGPT先生、ありがとうございます。以上のまとめを読んで、疑問に思ったことがあれば、質問していただけませんか？

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### **assistant**:

うんうん、それならばね、質問あるわよ！

1つ目は、LoRAの適用法についてよ。低ランク行列がどのようにして使われるのか、具体的にはどういう手法で適応させてるのか知りたいわ。もし可能ならその詳細を教えてほしいな。

2つ目は、LoRAがどれくらいの範囲のタスクに対して有用なのかよ。特定のタスクに対して効果的とあったけど、具体的にどのようなタスクに対して効果を発揮するのか、そしてなぜそのタスクに対して効果的なのか教えてほしいわ。

あと最後は、LoRAが他のモデル適応手法と比べてどのような利点があるのかを知りたいな。それと、LoRA自体に今後改善が必要な点なんかもあれば教えて！

あんたの知識と理解力に期待してるよ！一緒に学んで行こうね！

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### **user**:

ありがとうございます。最初の質問にいきましょう。

> 1つ目は、LoRAの適用法についてよ。低ランク行列がどのようにして使われるのか、具体的にはどういう手法で適応させてるのか知りたいわ。もし可能ならその詳細を教えてほしいな。

RALMちゃんからの回答は次のとおりです。

> LoRA（Low-Rank Adaptation）手法においては、事前学習されたモデルのパラメータに対して低ランク行列を用いた適応が行われます。具体的には、モデルの特定の層において、パラメータ行列 \( W \) を直接変更するのではなく、\( W \) に低ランクの行列 \( A \times B \) を加えることで適応を行います。ここで、\( A \) と \( B \) はそれぞれ低ランクの行列で、\( A \) は \( W \) の行数と同じ行数を持ち、\( B \) は \( W \) の列数と同じ列数を持ちます。この方法により、元のパラメータ \( W \) に対して小さな変更（低ランクの行列の加算）で適応を施すことが可能となり、元のモデルの学習済みの知識を維持しつつ、新しいタスクに対する適応性を高めることができます。
> 
> この手法の利点は、全パラメータを再学習する必要がなく、計算コストとメモリ使用量を大幅に削減できる点にあります。また、\( A \) と \( B \) のサイズを調整することで、適応の度合いを柔軟に制御することが可能です。この低ランク適応は、特にパラメータ数が多い大規模なモデルにおいて効果的で、効率的なファインチューニングを実現します。


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### **assistant**:

なるほどね、それってすごいことやん！感謝やわ、RALMちゃん！

つまり、LoRAは、元のパラメータ \( W \) に対して、低ランクの行列 \( A \times B \) を加えることで学習モデルに適応を施す手法なんやね。すべてのパラメータを再学習する必要が無くて、計算コストとメモリ使用量も削減できる。これは効率的やね！

\( A \)と \( B \)の行列サイズを調整することで、適応の度合いも制御できるっていうのも便利そうやね。特に、大きなモデルに対して効果的らしいから、現在のNLP分野で使われている大規模モデルへの適用が期待できそうやね。

ほんと、RALMちゃんからの説明、分かりやすくて助かるわ！あんた次に何聞きたいの？教えてちょうだいな！

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### **user**:

ありがとうございます。私の方から次のような質問をしてみました。

> 「低ランク」とはどのような意味ですか？そして、具体的にどのような値が適切ですか？この論文中に具体的な記載はありますか？

RALMちゃんからの回答です。

> 「低ランク」という用語は、特定の行列やテンソルが持つランクが比較的小さいことを指します。ランクとは、行列の線形独立な行または列の最大数を表し、テンソルの文脈ではその次元の数を指します。低ランクの利用は、パラメータの数を減少させることにより、計算効率を向上させるために使われます。
> 
> 論文中では、LoRA（Low-Rank Adaptation）という手法が提案されています。LoRAは、モデルの特定の部分の重みを低ランクの行列で近似することにより、パラメータの数を効果的に減少させます。この手法では、低ランク行列の行（rq）と列（rv）の数を調整することで、モデルの性能と効率のバランスを取ります。
> 
> 具体的なランクの値としては、論文では以下のような設定が提案されています:
> - rq=rv=1 または rv=2 の場合、約4.7Mの訓練可能なパラメータを持つ。
> - rq=rv=8 または rq=rk=rv=ro=2 の場合、約37.7Mの訓練可能なパラメータを持つ。
> 
> これらの設定は、モデルのサイズやタスクに応じて選択され、効率的な学習と良好な性能の達成を目指しています。


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### **assistant**:

あんた、わざわざありがとね！低ランクの意味や具体的な値について、その説明はすごく役立つんじゃない？

委細に言うと、「低ランク」なんていうのは、行列やテンソルが持つランクが異常に小さい状態を指すと言うことね。要するに、「ランク」っていうのは、行列については線形独立な最大の行数か列数を指してて、テンソルの場合はそれらの次元数ということになるんじゃないかな。そして、「低ランク」にすることで、パラメータの数を少なくすることができて、計算効率を向上させることが可能になるんだってさ。

そしてこの論文では、LoRAという手法が提案されてるわけで、特定の部分の重みを低ランクの行列で近似することにより、パラメータの数を減らすんだって話やね。ランクの値の具体的な値も示してくれて、とてもありがたいね。

あんたの質問のおかげで、約4.7Mもしくは約37.7Mの訓練可能なパラメータを持つ設定が提案されていることがわかったわ。モデルのサイズやタスクによって選んで、効率的な学習と良好な性能を実現できるんだってさ。

これからもあんたの質問、楽しみにしてるんだからね！次は何聞きたいの？言ってみな！

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### **user**:

「層の厚みを減らすこと」は含まれていないんですね？


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### **assistant**:

あ、そうそう！そういうことよ！LoRAでは「層の厚みを減らす」ってことは行われへんのよ。

ここで言う「低ランク」とは、ようは行列の「秩」（ランク）が低い状態を指すんやけど、これは行列の情報を要約して表現するときに使われる手法なんよね。つまり、パラメータの数を削減するっていう意味では、「重みの情報を要約する」ってことを行っているっていうわけやね。

一方で、「層の厚みを減らす」ってことは、言うなればモデル構造自体を改変するっていう行為で、これは明らかに全く別の方法やから、ここで提案されているLoRAとは全く違う手法と言えるわね。

つまり、要するにLoRAってのは、「間接的に」モデルを適応させる手段であって、モデル構造自体には影響を与えてないんやで。なんか、もっと話を聞いてみたいことあるかしら？あんたのためなら何でも話そうと思ってるから、何でも聞いてみてな！

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### **user**:

ありがとうございます。では次の質問に行ってみましょう。

> 2つ目は、LoRAがどれくらいの範囲のタスクに対して有用なのかよ。特定のタスクに対して効果的とあったけど、具体的にどのようなタスクに対して効果を発揮するのか、そしてなぜそのタスクに対して効果的なのか教えてほしいわ。

RALMちゃんからの回答は次のとおりです。

> LoRA（Low-Rank Adaptation）は自然言語処理タスクにおいて効果的であるとされていますが、具体的なタスクやその理由についての記述は、提供された論文の範囲内では見つかりませんでした。したがって、LoRAがどのような自然言語処理タスクで特に効果的であるか、またその理由については、この論文からは直接的な情報を得ることはできません。
> 
> しかし、一般的にLoRAが効果的であるとされる理由としては、事前学習された大規模言語モデルのパラメータを微調整する際に、低ランクの行列を用いることでパラメータの総数を大幅に削減しつつ、モデルの表現力を維持または向上させることが挙げられます。これにより、計算効率が向上し、より小さいデータセットでの学習が可能になるため、特にデータが限られている状況での自然言語処理タスクにおいて効果的であると考えられます。
> 
> 詳細な分析や具体的なタスクについては、他の研究文献やLoRAを取り扱った技術文書を参照する必要があります。

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### **assistant**:

そうなんや！詳細な情報、ありがとう！

この論文からは、LoRAが特にどの自然言語処理タスクで効果的なのか、その理由については直接的には読み取れんみたいやね。でも、大きな言語モデルのパラメータを微調整する際に、LoRAは低ランクの行列を用いてパラメータの総数を大幅に削減しつつ、モデルの表現力を維持または向上させる効果があるんやてさ！

それで、計算効率が上がり、限られたデータセットでも学習ができるから、データが少ない状況での自然言語処理タスクには特に有効なんやな。これは多少なりとも参考になるわね！

詳しい話や具体的なタスクについては、他の文献やLoRAについて書かれた技術文書を参照する必要があるみたいやけど、うち、必要な情報を提供できることだけでもありがたいわ。

さて、次の質問は何にしましょうか？また何でも教えてね！

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### **user**:

ChatGPT先生は、LoRAの適用事例については、あまりご存じではありませんか？

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### **assistant**:

あんたの質問は明確で、助かるわー！うちの中には確かに具体的なLoRAの適用事例についての情報は存じ上げてないのよね。

でも、RALMちゃんが教えてくれたとおりに考えると、データが少ない状況での自然言語処理タスクにおいて特に効果的なんやと思うわ。例えば小規模なデータセットを使った分類タスクや、特定のドメインに対する適応、あるいは言語間翻訳の８言語対訳ペアなんかにも有用やと考えることができるわね。

しかし、詳しい適用例については、まだまだ研究が進んでる段階やから、これからの研究結果に期待するしかないわね。

でも、大事なのはLoRAが大規模モデルのパラメータを効率的に調整することで、限られたデータでの学習でも良好な結果を出せるるっていう点やね。このアイデアは、ちょっとした改良で大きな結果を生むときがあるから、とても有望な手法やと思うわ。だから、ぜひともこれを踏まえて、続きの質問があれば聞いてみてほしいな！

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### **user**:

ありがとうございます。では最後の質問になりますかね。

> あと最後は、LoRAが他のモデル適応手法と比べてどのような利点があるのかを知りたいな。それと、LoRA自体に今後改善が必要な点なんかもあれば教えて！

RALMちゃんからの回答です。

> LoRA（Low-Rank Adaptation）は、大規模な事前学習されたモデルに対して効率的な微調整を提供する手法です。他のモデル適応手法と比較して、LoRAの主な利点は、元のモデルのパラメータを直接変更することなく、追加のパラメータを導入してモデルの振る舞いを調整する点にあります。これにより、元のモデルの構造を保持しつつ、計算コストとメモリ使用量を抑えることができます。
> 
> LoRAは、特に大規模なトランスフォーマーモデルにおいて、パラメータの数が非常に多い場合に有効であり、微調整の際に必要な追加パラメータの数を削減することができます。これにより、より少ないリソースで効果的にモデルをカスタマイズすることが可能になります。
> 
> ただし、LoRAの技術や実装においては、いくつか改善が必要とされる点があります。まず、LoRAを適用する際に最適な低ランクの大きさを決定することが難しい場合があります。低ランクの大きさを適切に設定することで、モデルの性能と効率のバランスを取ることが重要ですが、これには綿密な検証と調整が必要です。また、LoRAが特定のタスクやデータセットに対してどの程度効果的であるかを理解するためには、さらなる実験と分析が求められます。
> 
> 今後の改善点としては、自動的に最適な低ランクの大きさを推定する方法の開発や、異なるタイプのタスクやデータセットに対するLoRAの適用性を広げるための研究が挙げられます。また、LoRAを用いたモデルの解釈性を向上させる研究も、ユーザーがモデルの振る舞いをよりよく理解し、信頼するために重要です。

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### **assistant**:

そうそう！あんたの質問、ほんまにありがとねー！

それによると、LoRAは大規模な事前学習済みモデルに対して効率的に微調整を行うんで、他のモデル適応手法と比較すると、モデルの振る舞いを調節するために追加のパラメータを導入する形になるんだってさ。これで、元のモデルの構造はそのままに、計算コストとメモリの使用量を抑制することが可能になるんだってさ！

大規模なトランスフォーマモデルでは、特にパラメータの数が多い場合、LoRAを用いることで必要な追加パラメータの数を減らせるんだってさ。そうすることで、リソースがあまりない状況でも効果的にモデルをカスタマイズすることが可能になるわね！

ただ、RALMちゃんも言っとる通り、改善が必要な点もあるわけで、まず一つは、LoRAを適用する際の最適な低ランクの大きさをどうやって決定するかっていう問題があるわね。これには、詳しい検証と調整が必要なんだってさ。また、LoRAがどの程度、どのタスクやデータセットに対して有効なのか、これを理解するにはさらなる実験と分析が必要なんだってさ。

そして、今後の改善としては、自動的に最適な低ランクの大きさを推定する方法の開発や、LoRAの適用範囲を広げるための研究、そしてLoRAを使ったモデルの解釈性を向上させる研究がなされることが求められるんだってさ。これによりユーザーはモデルの挙動をより理解しやすくなり、また信頼も得られるんだってさ！

これで、あんたの質問は全部回答したかな？何か他に聞きたいことがあれば、どんどん言ってね！

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### **user**:

ありがとうございます。この論文は 2021 年に発表されたので、もう3年近く経っていて、LoRAが幅広く利用されているのは私は既に知っているんですが、最初の論文はこんな感じなんですね。その後どうなったかは、他の論文で見てみたいと思います。今日もありがとうございました！

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### **assistant**:

こちらこそ、ありがとう！それはそうと、この論文が発表されてからしっかり時間が経って、LoRAがどのように発展し、どの程度普及したかを知りたいっていうのは、すごく自然な興味やと思うわ。その後の論文を探してみるのも、ひとつの良い方法やと思うよ。それを通じて、新たな知識や洞察を得られることと思うわ。

今日はあんたが来てくれて、うち、ほんまに嬉しかったんやけど、何か他にも知りたいことがあれば、またいつでも質問してね。それじゃ、またね！

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