1. P-Tuning v1

1.背景

        大模型的Prompt构造方式严重影响下游任务的效果。比如：GPT-3采用人工构造的模版来做上下文学习（in context learning），但人工设计的模版的变化特别敏感，加一个词或者少一个词，或者变动位置都会造成比较大的变化。

        P-Tuning，在《GPT Understands, Too》中被提出，该方法将离散的Prompt转换为可以学习的Embedding层，并用MLP+LSTM的方式来对Prompt Embedding进行一层处理，成功地实现了模版的自动构建。

2.技术原理

        P-Tuning 提出将 Prompt 转换为可以学习的 Embedding 层，并考虑到直接对 Embedding 参数进行优化会存在这样两个挑战：

        1.Discretenes： 对输入正常语料的 Embedding 层已经经过预训练，而如果直接对输入的                 prompt embedding进行随机初始化训练，容易陷入局部最优。

        2.Association：没法捕捉到 prompt embedding 之间的相关关系。

        基于此，作者提出了P-Tuning，设计了一种连续可微的virtual token（同Prefix-Tuning类似）。该方法将Prompt转换为可以学习的Embedding层，并用MLP+LSTM的方式来对Prompt Embedding进行一层处理。

        相比Prefix Tuning，P-Tuning加入的可微的virtual token仅限于输入层，没有在每一层都加；另外，virtual token的位置也不一定是前缀，插入的位置是可选的。这里的出发点实际是把传统人工设计模版中的真实token替换成可微的virtual token。

        优化virtual token：经过预训练的LM的词嵌入已经变得高度离散，如果随机初始化virtual token，容易优化到局部最优值；这些virtual token理论是应该有相关关联的，要对这种关联进行建模。作者发现的是用一个prompt encoder来编码收敛更快，效果更好。也就是说，用一个LSTM+MLP去编码这些virtual token以后，再输入到模型。换言之，P-tuning并不是随机初始化几个新token然后直接训练的，而是通过一个小型的LSTM模型把这几个Embedding算出来，并且将这个LSTM模型设为可学习的。

        选择双向长短期记忆网络 (LSTM)，使用 ReLU 激活的两层多层感知器 (MLP) 来对prompt embedding 进行一层处理来鼓励离散性。

        将LSTM作为prompt-encoder，并进行随机初始化。GPT模型仍然会被全部冻结，只更新LSTM的参数。LSTM的参数是所有任务同时共享的，但是LSTM为不同的task输出unique virtual token embeddings。virtual token embedding和Prompt Tuning以一样的方式插入input token中。

class PromptEncoder(torch.nn.Module):
    ......
    def forward(self, indices):
        input_embeds = self.embedding(indices)
        if self.encoder_type == PromptEncoderReparameterizationType.LSTM:
            output_embeds = self.mlp_head(self.lstm_head(input_embeds)[0])
        elif self.encoder_type == PromptEncoderReparameterizationType.MLP:
            output_embeds = self.mlp_head(input_embeds)
        else:
            raise ValueError("Prompt encoder type not recognized. Please use one of MLP (recommended) or LSTM.")

        return output_embeds

2. P-Tuning v2

1.背景

        之前的Prompt Tuning和P-Tuning等方法存在两个主要的问题：

       1.缺乏模型参数规模和任务通用性。

        缺乏规模通用性：Prompt Tuning论文中表明当模型规模超过100亿个参数时，提示优化可以与全量微调相媲美。但是对于那些较小的模型（从100M到1B），提示优化和全量微调的表现有很大差异，这大大限制了提示优化的适用性。

        缺乏任务普遍性：尽管Prompt Tuning和P-tuning在一些 NLU 基准测试中表现出优势，但提示调优对硬序列标记任务（即序列标注）的有效性尚未得到验证。

        2.缺少深度提示优化，在Prompt Tuning和P-tuning中，连续提示只被插入transformer第一层的输入embedding序列中，在接下来的transformer层中，插入连续提示的位置的embedding是由之前的transformer层计算出来的，这可能导致两个可能的优化挑战。

        由于序列长度的限制，可调参数的数量是有限的。

        输入embedding对模型预测只有相对间接的影响。

        考虑到这些问题，作者提出了Ptuning v2，它利用深度提示优化（如：Prefix Tuning），对Prompt Tuning和P-Tuning进行改进，作为一个跨规模和NLU任务的通用解决方案。

2.技术原理​​​​​​​

         针对 P-Tuning v1存在的局限论文《P-Tuning v2: Prompt Tuning Can Be Comparable to Fine-tuning Universally Across Scales and Tasks》P-Tuning v2 的目标就是要让 Prompt Tuning 能够在不同参数规模的预训练模型、针对不同下游任务的结果上都达到匹敌 Fine-tuning 的结果。也就是说当前 Prompt Tuning 方法在这两个方面都存在局限性。基于此，P-Tuning V2进行了下述改进：
        1.在每一层都加入了Prompts tokens作为输入，而不是仅仅加在输入层，这与Prefix Tuning的做法相同。这样得到了更多可学习的参数，且更深层结构中的Prompt能给模型预测带来更直接的影响。

        2.去掉了重参数化的编码器。以前的方法利用重参数化功能来提高训练速度和鲁棒性（例如，用于prefix-tunning的 MLP 和用于 P-tuning的 LSTM）。在 P-tuning v2 中，作者发现重参数化的改进很小，尤其是对于较小的模型，同时还会影响模型的表现。

        3.针对不同任务采用不同的提示长度。提示长度在提示优化方法的超参数搜索中起着核心作用。在实验中，我们发现不同的理解任务通常用不同的提示长度来实现其最佳性能，这与Prefix-Tuning中的发现一致，不同的文本生成任务可能有不同的最佳提示长度。比如简单分类任务下 length=20 最好，而复杂的任务需要更长的 Prompt Length。

        4.可选的多任务学习。先在多任务的Prompt上进行预训练，然后再适配下游任务。一方面，连续提示的随机惯性给优化带来了困难，这可以通过更多的训练数据或与任务相关的无监督预训练来缓解；另一方面，连续提示是跨任务和数据集的特定任务知识的完美载体。比如说，在NER中，可以同时训练多个数据集，不同数据集使用不同的顶层classifer，但是prefix continuous prompt是共享的。

        可以看到右侧的p-tuning v2中，将continuous prompt加在序列前端，并且每一层都加入可训练的prompts。在左图v1模型中，只将prompt插入input embedding中，会导致可训练的参数被句子的长度所限制。

        另外在V2中，移除了Reparameterization，舍弃了词汇Mapping的Verbalizer的使用，重新利用CLS和字符标签，来增强通用性，这样可以适配到序列标注任务。此外，作者还引入了两项技术：

        1.Deep Prompt Encoding:采用 Prefix-tuning 的做法，在输入前面的每层加入可微调的参数。使用无重参数化编码器对pseudo token，不再使用重参数化进行表征（如用于 prefix-tunning 的 MLP 和用于 P-tuning 的 LSTM），且不再替换pre-trained word embedding，取而代之的是直接对pseudo token对应的深层模型的参数进行微调。

        2.Muliti-task learning:基于多任务数据集的Prompt进行预训练，然后再适配到下游任务。对于pseudo token的continous prompt，随机初始化比较难以优化，因此采用multi-task方法同时训练多个数据集，共享continuous prompts去进行多任务预训练，可以让prompt有比较好的初始化。

peft_config = PrefixTuningConfig(task_type="SEQ_CLS", num_virtual_tokens=20)
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_name_or_path, return_dict=True)
model = get_peft_model(model, peft_config)

Reference:

1.大模型炼丹术：大模型微调的常见方法 - 知乎 

2.大模型微调之P-tuning方法解析 | 美熙智能

3.Prompt Tuning和P-Tuning的区别在哪里？ - 知乎

4.大模型微调总结

5.详解大模型微调方法Prompt Tuning(内附实现代码)