6. プレトレーニングとモデルの読み込み

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テキスト生成

モデルをトレーニングするためには、そのモデルが新しいトークンを生成できる必要があります。次に、生成されたトークンを期待されるトークンと比較し、モデルが生成する必要のあるトークンを学習するようにトレーニングします。

前の例のように、すでにいくつかのトークンを予測しているため、その関数をこの目的のために再利用することが可能です。

テキスト評価

正しいトレーニングを行うためには、期待されるトークンに対して得られた予測を測定する必要があります。トレーニングの目標は、正しいトークンの可能性を最大化することであり、これは他のトークンに対するその確率を増加させることを含みます。

正しいトークンの確率を最大化するためには、モデルの重みを修正してその確率が最大化される必要があります。重みの更新はバックプロパゲーションを介して行われます。これには最大化する損失関数が必要です。この場合、関数は行われた予測と望ましいものとの違いになります。

ただし、生の予測で作業するのではなく、底がnの対数で作業します。したがって、期待されるトークンの現在の予測が7.4541e-05であった場合、7.4541e-05の自然対数（底e）は約**-9.5042**です。
次に、例えばコンテキストの長さが5トークンの各エントリについて、モデルは5トークンを予測する必要があり、最初の4トークンは入力の最後のものであり、5番目が予測されたものです。したがって、その場合、各エントリには5つの予測があり（最初の4つが入力にあったとしても、モデルはこれを知りません）、したがって5つの期待されるトークンと5つの確率を最大化する必要があります。

したがって、各予測に自然対数を適用した後、平均が計算され、マイナス記号が削除され（これを_クロスエントロピー損失_と呼びます）、それができるだけ0に近づけるべき数です。なぜなら、1の自然対数は0だからです：

モデルの良さを測定する別の方法は、パープレキシティと呼ばれます。パープレキシティは、確率モデルがサンプルをどれだけうまく予測するかを評価するために使用される指標です。言語モデルでは、次のトークンをシーケンスで予測する際のモデルの不確実性を表します。
例えば、48725のパープレキシティ値は、トークンを予測する必要があるときに、語彙の中で48,725のトークンのどれが良いのか不確かであることを意味します。

プレトレインの例

これは、https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch/blob/main/ch05/01_main-chapter-code/ch05.ipynbで提案された初期コードで、時々わずかに修正されています。

"""
This is code explained before so it won't be exaplained
"""

import tiktoken
import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader


class GPTDatasetV1(Dataset):
def __init__(self, txt, tokenizer, max_length, stride):
self.input_ids = []
self.target_ids = []

# Tokenize the entire text
token_ids = tokenizer.encode(txt, allowed_special={"<|endoftext|>"})

# Use a sliding window to chunk the book into overlapping sequences of max_length
for i in range(0, len(token_ids) - max_length, stride):
input_chunk = token_ids[i:i + max_length]
target_chunk = token_ids[i + 1: i + max_length + 1]
self.input_ids.append(torch.tensor(input_chunk))
self.target_ids.append(torch.tensor(target_chunk))

def __len__(self):
return len(self.input_ids)

def __getitem__(self, idx):
return self.input_ids[idx], self.target_ids[idx]


def create_dataloader_v1(txt, batch_size=4, max_length=256,
stride=128, shuffle=True, drop_last=True, num_workers=0):
# Initialize the tokenizer
tokenizer = tiktoken.get_encoding("gpt2")

# Create dataset
dataset = GPTDatasetV1(txt, tokenizer, max_length, stride)

# Create dataloader
dataloader = DataLoader(
dataset, batch_size=batch_size, shuffle=shuffle, drop_last=drop_last, num_workers=num_workers)

return dataloader


class MultiHeadAttention(nn.Module):
def __init__(self, d_in, d_out, context_length, dropout, num_heads, qkv_bias=False):
super().__init__()
assert d_out % num_heads == 0, "d_out must be divisible by n_heads"

self.d_out = d_out
self.num_heads = num_heads
self.head_dim = d_out // num_heads  # Reduce the projection dim to match desired output dim

self.W_query = nn.Linear(d_in, d_out, bias=qkv_bias)
self.W_key = nn.Linear(d_in, d_out, bias=qkv_bias)
self.W_value = nn.Linear(d_in, d_out, bias=qkv_bias)
self.out_proj = nn.Linear(d_out, d_out)  # Linear layer to combine head outputs
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
self.register_buffer('mask', torch.triu(torch.ones(context_length, context_length), diagonal=1))

def forward(self, x):
b, num_tokens, d_in = x.shape

keys = self.W_key(x)  # Shape: (b, num_tokens, d_out)
queries = self.W_query(x)
values = self.W_value(x)

# We implicitly split the matrix by adding a `num_heads` dimension
# Unroll last dim: (b, num_tokens, d_out) -> (b, num_tokens, num_heads, head_dim)
keys = keys.view(b, num_tokens, self.num_heads, self.head_dim)
values = values.view(b, num_tokens, self.num_heads, self.head_dim)
queries = queries.view(b, num_tokens, self.num_heads, self.head_dim)

# Transpose: (b, num_tokens, num_heads, head_dim) -> (b, num_heads, num_tokens, head_dim)
keys = keys.transpose(1, 2)
queries = queries.transpose(1, 2)
values = values.transpose(1, 2)

# Compute scaled dot-product attention (aka self-attention) with a causal mask
attn_scores = queries @ keys.transpose(2, 3)  # Dot product for each head

# Original mask truncated to the number of tokens and converted to boolean
mask_bool = self.mask.bool()[:num_tokens, :num_tokens]

# Use the mask to fill attention scores
attn_scores.masked_fill_(mask_bool, -torch.inf)

attn_weights = torch.softmax(attn_scores / keys.shape[-1]**0.5, dim=-1)
attn_weights = self.dropout(attn_weights)

# Shape: (b, num_tokens, num_heads, head_dim)
context_vec = (attn_weights @ values).transpose(1, 2)

# Combine heads, where self.d_out = self.num_heads * self.head_dim
context_vec = context_vec.reshape(b, num_tokens, self.d_out)
context_vec = self.out_proj(context_vec)  # optional projection

return context_vec


class LayerNorm(nn.Module):
def __init__(self, emb_dim):
super().__init__()
self.eps = 1e-5
self.scale = nn.Parameter(torch.ones(emb_dim))
self.shift = nn.Parameter(torch.zeros(emb_dim))

def forward(self, x):
mean = x.mean(dim=-1, keepdim=True)
var = x.var(dim=-1, keepdim=True, unbiased=False)
norm_x = (x - mean) / torch.sqrt(var + self.eps)
return self.scale * norm_x + self.shift


class GELU(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()

def forward(self, x):
return 0.5 * x * (1 + torch.tanh(
torch.sqrt(torch.tensor(2.0 / torch.pi)) *
(x + 0.044715 * torch.pow(x, 3))
))


class FeedForward(nn.Module):
def __init__(self, cfg):
super().__init__()
self.layers = nn.Sequential(
nn.Linear(cfg["emb_dim"], 4 * cfg["emb_dim"]),
GELU(),
nn.Linear(4 * cfg["emb_dim"], cfg["emb_dim"]),
)

def forward(self, x):
return self.layers(x)


class TransformerBlock(nn.Module):
def __init__(self, cfg):
super().__init__()
self.att = MultiHeadAttention(
d_in=cfg["emb_dim"],
d_out=cfg["emb_dim"],
context_length=cfg["context_length"],
num_heads=cfg["n_heads"],
dropout=cfg["drop_rate"],
qkv_bias=cfg["qkv_bias"])
self.ff = FeedForward(cfg)
self.norm1 = LayerNorm(cfg["emb_dim"])
self.norm2 = LayerNorm(cfg["emb_dim"])
self.drop_shortcut = nn.Dropout(cfg["drop_rate"])

def forward(self, x):
# Shortcut connection for attention block
shortcut = x
x = self.norm1(x)
x = self.att(x)   # Shape [batch_size, num_tokens, emb_size]
x = self.drop_shortcut(x)
x = x + shortcut  # Add the original input back

# Shortcut connection for feed-forward block
shortcut = x
x = self.norm2(x)
x = self.ff(x)
x = self.drop_shortcut(x)
x = x + shortcut  # Add the original input back

return x


class GPTModel(nn.Module):
def __init__(self, cfg):
super().__init__()
self.tok_emb = nn.Embedding(cfg["vocab_size"], cfg["emb_dim"])
self.pos_emb = nn.Embedding(cfg["context_length"], cfg["emb_dim"])
self.drop_emb = nn.Dropout(cfg["drop_rate"])

self.trf_blocks = nn.Sequential(
*[TransformerBlock(cfg) for _ in range(cfg["n_layers"])])

self.final_norm = LayerNorm(cfg["emb_dim"])
self.out_head = nn.Linear(cfg["emb_dim"], cfg["vocab_size"], bias=False)

def forward(self, in_idx):
batch_size, seq_len = in_idx.shape
tok_embeds = self.tok_emb(in_idx)
pos_embeds = self.pos_emb(torch.arange(seq_len, device=in_idx.device))
x = tok_embeds + pos_embeds  # Shape [batch_size, num_tokens, emb_size]
x = self.drop_emb(x)
x = self.trf_blocks(x)
x = self.final_norm(x)
logits = self.out_head(x)
return logits

# Download contents to train the data with
import os
import urllib.request

file_path = "the-verdict.txt"
url = "https://raw.githubusercontent.com/rasbt/LLMs-from-scratch/main/ch02/01_main-chapter-code/the-verdict.txt"

if not os.path.exists(file_path):
with urllib.request.urlopen(url) as response:
text_data = response.read().decode('utf-8')
with open(file_path, "w", encoding="utf-8") as file:
file.write(text_data)
else:
with open(file_path, "r", encoding="utf-8") as file:
text_data = file.read()

total_characters = len(text_data)
tokenizer = tiktoken.get_encoding("gpt2")
total_tokens = len(tokenizer.encode(text_data))

print("Data downloaded")
print("Characters:", total_characters)
print("Tokens:", total_tokens)

# Model initialization
GPT_CONFIG_124M = {
"vocab_size": 50257,   # Vocabulary size
"context_length": 256, # Shortened context length (orig: 1024)
"emb_dim": 768,        # Embedding dimension
"n_heads": 12,         # Number of attention heads
"n_layers": 12,        # Number of layers
"drop_rate": 0.1,      # Dropout rate
"qkv_bias": False      # Query-key-value bias
}

torch.manual_seed(123)
model = GPTModel(GPT_CONFIG_124M)
model.eval()
print ("Model initialized")


# Functions to transform from tokens to ids and from to ids to tokens
def text_to_token_ids(text, tokenizer):
encoded = tokenizer.encode(text, allowed_special={'<|endoftext|>'})
encoded_tensor = torch.tensor(encoded).unsqueeze(0) # add batch dimension
return encoded_tensor

def token_ids_to_text(token_ids, tokenizer):
flat = token_ids.squeeze(0) # remove batch dimension
return tokenizer.decode(flat.tolist())



# Define loss functions
def calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device):
input_batch, target_batch = input_batch.to(device), target_batch.to(device)
logits = model(input_batch)
loss = torch.nn.functional.cross_entropy(logits.flatten(0, 1), target_batch.flatten())
return loss


def calc_loss_loader(data_loader, model, device, num_batches=None):
total_loss = 0.
if len(data_loader) == 0:
return float("nan")
elif num_batches is None:
num_batches = len(data_loader)
else:
# Reduce the number of batches to match the total number of batches in the data loader
# if num_batches exceeds the number of batches in the data loader
num_batches = min(num_batches, len(data_loader))
for i, (input_batch, target_batch) in enumerate(data_loader):
if i < num_batches:
loss = calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device)
total_loss += loss.item()
else:
break
return total_loss / num_batches


# Apply Train/validation ratio and create dataloaders
train_ratio = 0.90
split_idx = int(train_ratio * len(text_data))
train_data = text_data[:split_idx]
val_data = text_data[split_idx:]

torch.manual_seed(123)

train_loader = create_dataloader_v1(
train_data,
batch_size=2,
max_length=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
stride=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
drop_last=True,
shuffle=True,
num_workers=0
)

val_loader = create_dataloader_v1(
val_data,
batch_size=2,
max_length=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
stride=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
drop_last=False,
shuffle=False,
num_workers=0
)


# Sanity checks
if total_tokens * (train_ratio) < GPT_CONFIG_124M["context_length"]:
print("Not enough tokens for the training loader. "
"Try to lower the `GPT_CONFIG_124M['context_length']` or "
"increase the `training_ratio`")

if total_tokens * (1-train_ratio) < GPT_CONFIG_124M["context_length"]:
print("Not enough tokens for the validation loader. "
"Try to lower the `GPT_CONFIG_124M['context_length']` or "
"decrease the `training_ratio`")

print("Train loader:")
for x, y in train_loader:
print(x.shape, y.shape)

print("\nValidation loader:")
for x, y in val_loader:
print(x.shape, y.shape)

train_tokens = 0
for input_batch, target_batch in train_loader:
train_tokens += input_batch.numel()

val_tokens = 0
for input_batch, target_batch in val_loader:
val_tokens += input_batch.numel()

print("Training tokens:", train_tokens)
print("Validation tokens:", val_tokens)
print("All tokens:", train_tokens + val_tokens)


# Indicate the device to use
if torch.cuda.is_available():
device = torch.device("cuda")
elif torch.backends.mps.is_available():
device = torch.device("mps")
else:
device = torch.device("cpu")

print(f"Using {device} device.")

model.to(device) # no assignment model = model.to(device) necessary for nn.Module classes



# Pre-calculate losses without starting yet
torch.manual_seed(123) # For reproducibility due to the shuffling in the data loader

with torch.no_grad(): # Disable gradient tracking for efficiency because we are not training, yet
train_loss = calc_loss_loader(train_loader, model, device)
val_loss = calc_loss_loader(val_loader, model, device)

print("Training loss:", train_loss)
print("Validation loss:", val_loss)


# Functions to train the data
def train_model_simple(model, train_loader, val_loader, optimizer, device, num_epochs,
eval_freq, eval_iter, start_context, tokenizer):
# Initialize lists to track losses and tokens seen
train_losses, val_losses, track_tokens_seen = [], [], []
tokens_seen, global_step = 0, -1

# Main training loop
for epoch in range(num_epochs):
model.train()  # Set model to training mode

for input_batch, target_batch in train_loader:
optimizer.zero_grad() # Reset loss gradients from previous batch iteration
loss = calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device)
loss.backward() # Calculate loss gradients
optimizer.step() # Update model weights using loss gradients
tokens_seen += input_batch.numel()
global_step += 1

# Optional evaluation step
if global_step % eval_freq == 0:
train_loss, val_loss = evaluate_model(
model, train_loader, val_loader, device, eval_iter)
train_losses.append(train_loss)
val_losses.append(val_loss)
track_tokens_seen.append(tokens_seen)
print(f"Ep {epoch+1} (Step {global_step:06d}): "
f"Train loss {train_loss:.3f}, Val loss {val_loss:.3f}")

# Print a sample text after each epoch
generate_and_print_sample(
model, tokenizer, device, start_context
)

return train_losses, val_losses, track_tokens_seen


def evaluate_model(model, train_loader, val_loader, device, eval_iter):
model.eval()
with torch.no_grad():
train_loss = calc_loss_loader(train_loader, model, device, num_batches=eval_iter)
val_loss = calc_loss_loader(val_loader, model, device, num_batches=eval_iter)
model.train()
return train_loss, val_loss


def generate_and_print_sample(model, tokenizer, device, start_context):
model.eval()
context_size = model.pos_emb.weight.shape[0]
encoded = text_to_token_ids(start_context, tokenizer).to(device)
with torch.no_grad():
token_ids = generate_text(
model=model, idx=encoded,
max_new_tokens=50, context_size=context_size
)
decoded_text = token_ids_to_text(token_ids, tokenizer)
print(decoded_text.replace("\n", " "))  # Compact print format
model.train()


# Start training!
import time
start_time = time.time()

torch.manual_seed(123)
model = GPTModel(GPT_CONFIG_124M)
model.to(device)
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=0.0004, weight_decay=0.1)

num_epochs = 10
train_losses, val_losses, tokens_seen = train_model_simple(
model, train_loader, val_loader, optimizer, device,
num_epochs=num_epochs, eval_freq=5, eval_iter=5,
start_context="Every effort moves you", tokenizer=tokenizer
)

end_time = time.time()
execution_time_minutes = (end_time - start_time) / 60
print(f"Training completed in {execution_time_minutes:.2f} minutes.")



# Show graphics with the training process
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.ticker import MaxNLocator
import math
def plot_losses(epochs_seen, tokens_seen, train_losses, val_losses):
fig, ax1 = plt.subplots(figsize=(5, 3))
ax1.plot(epochs_seen, train_losses, label="Training loss")
ax1.plot(
epochs_seen, val_losses, linestyle="-.", label="Validation loss"
)
ax1.set_xlabel("Epochs")
ax1.set_ylabel("Loss")
ax1.legend(loc="upper right")
ax1.xaxis.set_major_locator(MaxNLocator(integer=True))
ax2 = ax1.twiny()
ax2.plot(tokens_seen, train_losses, alpha=0)
ax2.set_xlabel("Tokens seen")
fig.tight_layout()
plt.show()

# Compute perplexity from the loss values
train_ppls = [math.exp(loss) for loss in train_losses]
val_ppls = [math.exp(loss) for loss in val_losses]
# Plot perplexity over tokens seen
plt.figure()
plt.plot(tokens_seen, train_ppls, label='Training Perplexity')
plt.plot(tokens_seen, val_ppls, label='Validation Perplexity')
plt.xlabel('Tokens Seen')
plt.ylabel('Perplexity')
plt.title('Perplexity over Training')
plt.legend()
plt.show()

epochs_tensor = torch.linspace(0, num_epochs, len(train_losses))
plot_losses(epochs_tensor, tokens_seen, train_losses, val_losses)


torch.save({
"model_state_dict": model.state_dict(),
"optimizer_state_dict": optimizer.state_dict(),
},
"/tmp/model_and_optimizer.pth"
)

テキスト <--> ID 変換のための関数

これらは、語彙からテキストを ID に変換し、その逆を行うために使用できるいくつかの簡単な関数です。これは、テキストの処理の最初と予測の最後に必要です。

# Functions to transform from tokens to ids and from to ids to tokens
def text_to_token_ids(text, tokenizer):
encoded = tokenizer.encode(text, allowed_special={'<|endoftext|>'})
encoded_tensor = torch.tensor(encoded).unsqueeze(0) # add batch dimension
return encoded_tensor

def token_ids_to_text(token_ids, tokenizer):
flat = token_ids.squeeze(0) # remove batch dimension
return tokenizer.decode(flat.tolist())

テキスト生成関数

前のセクションでは、最も可能性の高いトークンをロジットから取得する関数がありました。しかし、これは各エントリに対して常に同じ出力が生成されることを意味し、非常に決定論的になります。

以下のgenerate_text関数は、top-k、temperature、およびmultinomialの概念を適用します。

• **top-k**は、上位kトークンを除くすべてのトークンの確率を-infに減少させることを意味します。したがって、k=3の場合、決定を下す前に、最も可能性の高い3つのトークンのみが-inf以外の確率を持ちます。
• **temperature**は、すべての確率を温度値で割ることを意味します。値が0.1の場合、最も高い確率が最も低い確率と比較して改善されますが、例えば温度が5の場合は、より平坦になります。これは、LLMに持たせたい応答の変動を改善するのに役立ちます。
• 温度を適用した後、**softmax**関数が再度適用され、残りのトークンが合計確率1になるようにします。
• 最後に、最も高い確率のトークンを選択するのではなく、関数**multinomialが適用されて最終的な確率に基づいて次のトークンを予測**します。したがって、トークン1が70%の確率、トークン2が20%、トークン3が10%の場合、70%の確率でトークン1が選択され、20%の確率でトークン2が選択され、10%の確率でトークン3が選択されます。

# Generate text function
def generate_text(model, idx, max_new_tokens, context_size, temperature=0.0, top_k=None, eos_id=None):

# For-loop is the same as before: Get logits, and only focus on last time step
for _ in range(max_new_tokens):
idx_cond = idx[:, -context_size:]
with torch.no_grad():
logits = model(idx_cond)
logits = logits[:, -1, :]

# New: Filter logits with top_k sampling
if top_k is not None:
# Keep only top_k values
top_logits, _ = torch.topk(logits, top_k)
min_val = top_logits[:, -1]
logits = torch.where(logits < min_val, torch.tensor(float("-inf")).to(logits.device), logits)

# New: Apply temperature scaling
if temperature > 0.0:
logits = logits / temperature

# Apply softmax to get probabilities
probs = torch.softmax(logits, dim=-1)  # (batch_size, context_len)

# Sample from the distribution
idx_next = torch.multinomial(probs, num_samples=1)  # (batch_size, 1)

# Otherwise same as before: get idx of the vocab entry with the highest logits value
else:
idx_next = torch.argmax(logits, dim=-1, keepdim=True)  # (batch_size, 1)

if idx_next == eos_id:  # Stop generating early if end-of-sequence token is encountered and eos_id is specified
break

# Same as before: append sampled index to the running sequence
idx = torch.cat((idx, idx_next), dim=1)  # (batch_size, num_tokens+1)

return idx

Loss functions

**calc_loss_batch**関数は、単一のバッチの予測のクロスエントロピーを計算します。
**calc_loss_loader**はすべてのバッチのクロスエントロピーを取得し、平均クロスエントロピーを計算します。

# Define loss functions
def calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device):
input_batch, target_batch = input_batch.to(device), target_batch.to(device)
logits = model(input_batch)
loss = torch.nn.functional.cross_entropy(logits.flatten(0, 1), target_batch.flatten())
return loss

def calc_loss_loader(data_loader, model, device, num_batches=None):
total_loss = 0.
if len(data_loader) == 0:
return float("nan")
elif num_batches is None:
num_batches = len(data_loader)
else:
# Reduce the number of batches to match the total number of batches in the data loader
# if num_batches exceeds the number of batches in the data loader
num_batches = min(num_batches, len(data_loader))
for i, (input_batch, target_batch) in enumerate(data_loader):
if i < num_batches:
loss = calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device)
total_loss += loss.item()
else:
break
return total_loss / num_batches

データの読み込み

関数create_dataloader_v1とcreate_dataloader_v1は、前のセクションですでに説明されました。

ここから、テキストの90%がトレーニングに使用され、10%が検証に使用されることが定義されていることに注意してください。両方のセットは2つの異なるデータローダーに保存されます。
データセットの一部は、モデルのパフォーマンスをより良く評価するためにテストセットのために残されることもあります。

両方のデータローダーは、同じバッチサイズ、最大長、ストライド、ワーカー数（この場合は0）を使用しています。
主な違いは、各データで使用されるデータと、検証者が最後のデータをドロップせず、検証目的に必要ないためデータをシャッフルしないことです。

また、ストライドがコンテキストの長さと同じ大きさであるという事実は、データをトレーニングするために使用されるコンテキスト間に重複がないことを意味します（過剰適合を減少させますが、トレーニングデータセットも減少させます）。

さらに、この場合のバッチサイズは2で、データを2つのバッチに分割します。これにより、並列処理を可能にし、バッチごとの消費を減らすことが主な目的です。

train_ratio = 0.90
split_idx = int(train_ratio * len(text_data))
train_data = text_data[:split_idx]
val_data = text_data[split_idx:]

torch.manual_seed(123)

train_loader = create_dataloader_v1(
train_data,
batch_size=2,
max_length=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
stride=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
drop_last=True,
shuffle=True,
num_workers=0
)

val_loader = create_dataloader_v1(
val_data,
batch_size=2,
max_length=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
stride=GPT_CONFIG_124M["context_length"],
drop_last=False,
shuffle=False,
num_workers=0
)

サニティチェック

目的は、トレーニングに十分なトークンがあるか、形状が期待通りであるかを確認し、トレーニングおよび検証に使用されるトークンの数に関する情報を得ることです:

# Sanity checks
if total_tokens * (train_ratio) < GPT_CONFIG_124M["context_length"]:
print("Not enough tokens for the training loader. "
"Try to lower the `GPT_CONFIG_124M['context_length']` or "
"increase the `training_ratio`")

if total_tokens * (1-train_ratio) < GPT_CONFIG_124M["context_length"]:
print("Not enough tokens for the validation loader. "
"Try to lower the `GPT_CONFIG_124M['context_length']` or "
"decrease the `training_ratio`")

print("Train loader:")
for x, y in train_loader:
print(x.shape, y.shape)

print("\nValidation loader:")
for x, y in val_loader:
print(x.shape, y.shape)

train_tokens = 0
for input_batch, target_batch in train_loader:
train_tokens += input_batch.numel()

val_tokens = 0
for input_batch, target_batch in val_loader:
val_tokens += input_batch.numel()

print("Training tokens:", train_tokens)
print("Validation tokens:", val_tokens)
print("All tokens:", train_tokens + val_tokens)

トレーニングと事前計算のためのデバイスを選択

次のコードは、使用するデバイスを選択し、トレーニングロスとバリデーションロスを計算します（まだ何もトレーニングしていない状態で）出発点として。

# Indicate the device to use

if torch.cuda.is_available():
device = torch.device("cuda")
elif torch.backends.mps.is_available():
device = torch.device("mps")
else:
device = torch.device("cpu")

print(f"Using {device} device.")

model.to(device) # no assignment model = model.to(device) necessary for nn.Module classes

# Pre-calculate losses without starting yet
torch.manual_seed(123) # For reproducibility due to the shuffling in the data loader

with torch.no_grad(): # Disable gradient tracking for efficiency because we are not training, yet
train_loss = calc_loss_loader(train_loader, model, device)
val_loss = calc_loss_loader(val_loader, model, device)

print("Training loss:", train_loss)
print("Validation loss:", val_loss)

トレーニング関数

関数 generate_and_print_sample は、コンテキストを取得し、トークンを生成して、モデルのその時点での性能を把握するために使用されます。これは、各ステップで train_model_simple によって呼び出されます。

関数 evaluate_model は、トレーニング関数が示す頻度で呼び出され、モデルのトレーニング時点でのトレインロスとバリデーションロスを測定するために使用されます。

次に、大きな関数 train_model_simple が実際にモデルをトレーニングします。これは以下を期待します：

• トレインデータローダー（トレーニング用にすでに分離され、準備されたデータ）
• バリデータローダー
• トレーニング中に使用するオプティマイザー：これは勾配を使用し、ロスを減少させるためにパラメータを更新する関数です。この場合、見ての通り AdamW が使用されますが、他にも多くのものがあります。
• optimizer.zero_grad() は、勾配を蓄積しないように各ラウンドでリセットするために呼び出されます。
• lr パラメータは 学習率 で、モデルのパラメータを更新する際の最適化プロセス中に取られる ステップのサイズ を決定します。小さい 学習率は、オプティマイザーが重みを 小さく更新 することを意味し、より 正確な 収束をもたらす可能性がありますが、トレーニングが 遅くなる 可能性があります。大きい 学習率はトレーニングを加速できますが、ロス関数の最小値を オーバーシュートする リスクがあります（ロス関数が最小化される点を 飛び越える）。
• ウェイトデケイ は、重みが大きいことにペナルティを与える追加の項を加えることで ロス計算 ステップを修正します。これにより、オプティマイザーはデータにうまくフィットしつつ、モデルをシンプルに保ち、機械学習モデルでのオーバーフィッティングを防ぐために、特定の特徴に過度の重要性を与えないようにします。
• SGDのような従来のオプティマイザーは、L2正則化とともにウェイトデケイをロス関数の勾配と結びつけます。しかし、AdamW（Adamオプティマイザーの変種）は、ウェイトデケイを勾配更新から切り離し、より効果的な正則化を実現します。
• トレーニングに使用するデバイス
• エポック数：トレーニングデータを何回通過するか
• 評価頻度：evaluate_model を呼び出す頻度
• 評価イテレーション：generate_and_print_sample を呼び出す際にモデルの現在の状態を評価するために使用するバッチの数
• スタートコンテキスト：generate_and_print_sample を呼び出す際に使用する開始文
• トークナイザー

# Functions to train the data
def train_model_simple(model, train_loader, val_loader, optimizer, device, num_epochs,
eval_freq, eval_iter, start_context, tokenizer):
# Initialize lists to track losses and tokens seen
train_losses, val_losses, track_tokens_seen = [], [], []
tokens_seen, global_step = 0, -1

# Main training loop
for epoch in range(num_epochs):
model.train()  # Set model to training mode

for input_batch, target_batch in train_loader:
optimizer.zero_grad() # Reset loss gradients from previous batch iteration
loss = calc_loss_batch(input_batch, target_batch, model, device)
loss.backward() # Calculate loss gradients
optimizer.step() # Update model weights using loss gradients
tokens_seen += input_batch.numel()
global_step += 1

# Optional evaluation step
if global_step % eval_freq == 0:
train_loss, val_loss = evaluate_model(
model, train_loader, val_loader, device, eval_iter)
train_losses.append(train_loss)
val_losses.append(val_loss)
track_tokens_seen.append(tokens_seen)
print(f"Ep {epoch+1} (Step {global_step:06d}): "
f"Train loss {train_loss:.3f}, Val loss {val_loss:.3f}")

# Print a sample text after each epoch
generate_and_print_sample(
model, tokenizer, device, start_context
)

return train_losses, val_losses, track_tokens_seen


def evaluate_model(model, train_loader, val_loader, device, eval_iter):
model.eval() # Set in eval mode to avoid dropout
with torch.no_grad():
train_loss = calc_loss_loader(train_loader, model, device, num_batches=eval_iter)
val_loss = calc_loss_loader(val_loader, model, device, num_batches=eval_iter)
model.train() # Back to training model applying all the configurations
return train_loss, val_loss


def generate_and_print_sample(model, tokenizer, device, start_context):
model.eval() # Set in eval mode to avoid dropout
context_size = model.pos_emb.weight.shape[0]
encoded = text_to_token_ids(start_context, tokenizer).to(device)
with torch.no_grad():
token_ids = generate_text(
model=model, idx=encoded,
max_new_tokens=50, context_size=context_size
)
decoded_text = token_ids_to_text(token_ids, tokenizer)
print(decoded_text.replace("\n", " "))  # Compact print format
model.train() # Back to training model applying all the configurations

トレーニングを開始する

import time
start_time = time.time()

torch.manual_seed(123)
model = GPTModel(GPT_CONFIG_124M)
model.to(device)
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=0.0004, weight_decay=0.1)

num_epochs = 10
train_losses, val_losses, tokens_seen = train_model_simple(
model, train_loader, val_loader, optimizer, device,
num_epochs=num_epochs, eval_freq=5, eval_iter=5,
start_context="Every effort moves you", tokenizer=tokenizer
)

end_time = time.time()
execution_time_minutes = (end_time - start_time) / 60
print(f"Training completed in {execution_time_minutes:.2f} minutes.")

トレーニングの進化を印刷する

次の関数を使用すると、モデルがトレーニングされている間の進化を印刷することができます。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.ticker import MaxNLocator
import math
def plot_losses(epochs_seen, tokens_seen, train_losses, val_losses):
fig, ax1 = plt.subplots(figsize=(5, 3))
ax1.plot(epochs_seen, train_losses, label="Training loss")
ax1.plot(
epochs_seen, val_losses, linestyle="-.", label="Validation loss"
)
ax1.set_xlabel("Epochs")
ax1.set_ylabel("Loss")
ax1.legend(loc="upper right")
ax1.xaxis.set_major_locator(MaxNLocator(integer=True))
ax2 = ax1.twiny()
ax2.plot(tokens_seen, train_losses, alpha=0)
ax2.set_xlabel("Tokens seen")
fig.tight_layout()
plt.show()

# Compute perplexity from the loss values
train_ppls = [math.exp(loss) for loss in train_losses]
val_ppls = [math.exp(loss) for loss in val_losses]
# Plot perplexity over tokens seen
plt.figure()
plt.plot(tokens_seen, train_ppls, label='Training Perplexity')
plt.plot(tokens_seen, val_ppls, label='Validation Perplexity')
plt.xlabel('Tokens Seen')
plt.ylabel('Perplexity')
plt.title('Perplexity over Training')
plt.legend()
plt.show()

epochs_tensor = torch.linspace(0, num_epochs, len(train_losses))
plot_losses(epochs_tensor, tokens_seen, train_losses, val_losses)

モデルを保存する

後でトレーニングを続けたい場合は、モデルとオプティマイザーを保存することができます:

# Save the model and the optimizer for later training
torch.save({
"model_state_dict": model.state_dict(),
"optimizer_state_dict": optimizer.state_dict(),
},
"/tmp/model_and_optimizer.pth"
)
# Note that this model with the optimizer occupied close to 2GB

# Restore model and optimizer for training
checkpoint = torch.load("/tmp/model_and_optimizer.pth", map_location=device)

model = GPTModel(GPT_CONFIG_124M)
model.load_state_dict(checkpoint["model_state_dict"])
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=5e-4, weight_decay=0.1)
optimizer.load_state_dict(checkpoint["optimizer_state_dict"])
model.train(); # Put in training mode

モデルを使用するだけの場合は、

# Save the model
torch.save(model.state_dict(), "model.pth")

# Load it
model = GPTModel(GPT_CONFIG_124M)

model.load_state_dict(torch.load("model.pth", map_location=device))

model.eval() # Put in eval mode

GPT2の重みの読み込み

GPT2の重みをローカルに読み込むための2つの簡単なスクリプトがあります。どちらもリポジトリをローカルにクローンできます https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch その後：

• スクリプト https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch/blob/main/ch05/01_main-chapter-code/gpt_generate.py は、すべての重みをダウンロードし、OpenAIから私たちのLLMが期待する形式に変換します。このスクリプトは、必要な設定とプロンプト「Every effort moves you」を用意しています。
• スクリプト https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch/blob/main/ch05/02_alternative_weight_loading/weight-loading-hf-transformers.ipynb は、任意のGPT2の重みをローカルに読み込むことを可能にします（CHOOSE_MODEL変数を変更するだけです）そして、いくつかのプロンプトからテキストを予測します。

参考文献

• https://www.manning.com/books/build-a-large-language-model-from-scratch