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Prompt Tuning是现在大模型微调方法中的一种常用方法，本文通过解读5篇论文来了解Prompt Tuning方法演进的过程。分别是Prefix-Tuning、P-Tuning v1、Parameter-Efficient Prompt Tuning、P-Tuning v2。

1. Prefix-Tuning：Optimizing Continuous Prompts for Generation

Finetuning之前是使用大模型进行下游任务重训的方法，但由于大模型参数量过大，Finetuning需要大量的数据，以及更多的算力去更新学习参数，不够实用。在2021年提出的prefix-tuning算法，并在自然语言生成任务(NLG, Nature Language Generation)上做了验证。这里注意区分下另一个NLP的概念，在NLP中还一类任务叫自然语言理解(NLU, Nature Language Understanding)。

在Prompt思想的启发下，在Prefix-Tuning中提出了给每一个input输入增加一个连续的任务相关的embedding向量(continuous task-specific vectors)来进行训练。

这里的连续(continuous)是相对于人工定义的文本prompt token的离散(discrete)来说的，例如一个人工定义的prompt token数组是['The', 'movie', 'is', '[MASK]']，把其中的token The替换成一个embedding向量做为输入的话，其中embedding就是连续的(continuous)表达方式。在下游任务重训的时候固定原有的大模型所有参数，只用重训跟下游任务相关的前缀向量(prefix embedding)即可。

对于自回归的LM模型(例如GPT-2)来说，会在原有prompt之前增加prefix(z = [PREFIX; x; y]);对于encoder+decoder的LM模型(例如BART)来说，会分别在encoder和decoder的输入前加上prefix(z = [PREFIX; x; PREFIX'; y],)。如下图所示，P_idx表示加的前缀序列, h对应的是可学习的参数， 用Pθ=[h1, h2, h3, ...]表示可学习参数矩阵。

直接学习参数效果不好，所以使用MLP网络对Pθ进行了reparameter修正，即Pθ[i,:] = MLP(Pθ'[i,:])，重训完只用保存prefix的Pθ相关参数。

huggingface peft关于prefix-tuning的核心代码实现在PrefixEncoder

class PrefixEncoder(torch.nn.Module):
        ......
        if self.prefix_projection and not config.inference_mode:
            # Use a two-layer MLP to encode the prefix
            self.embedding = torch.nn.Embedding(num_virtual_tokens, token_dim)
            self.transform = torch.nn.Sequential(
                torch.nn.Linear(token_dim, encoder_hidden_size),
                torch.nn.Tanh(),
                torch.nn.Linear(encoder_hidden_size, num_layers * 2 * token_dim),
            )
        else:
            self.embedding = torch.nn.Embedding(num_virtual_tokens, num_layers * 2 * token_dim)

    def forward(self, prefix: torch.Tensor):
        if self.prefix_projection:
            prefix_tokens = self.embedding(prefix)
            past_key_values = self.transform(prefix_tokens)
        else:
            past_key_values = self.embedding(prefix)
        return past_key_values

2. P-Tuning v1：GPT Understands, Too

P-Tuning这个词在这篇文中被第一次提出，为了跟后续P-Tuning v2区分，这里加了个v1。本论文主要是为了解决GPT大模型在自然语言理解任务(NLU, Nature Language Understanding 重训效果不好的问题。在P-Tuning方法中会在连续向量空间中自动搜索合适的prompt，来增强重训练的效果。

对于之前存在的离散prompt搜索方法(discrete prompt search)来说, 比如AUTOPROMPT、LPAQA, 其中的Prompt Generator通过接受离散的反馈来选择合适的prompt。

对于Prompt Generator来说，给定一个词库V和语言模型M, P_i表示在prompt模版T中第i个token，会用词库V中的词来填充模版并并生成embedding向量，

例如：[e_template(The), e_template(capital), e_template(of), e_input(Britain), e_template(is), e_output([Mask])], 其中template表示模版的，input表示输入，ouput表示输出。

而在P-Tuning中通过Prompt Encoder来实现prompt的生成，跟之前的区别在于这里使用了伪prompt和反向传播来对encoder进行更新。在embedding的输入上有所不同，模版中的prompt token embedding向量都是从Prompt Encoder生成出来的，没有对应词库中具体的词。

例如：{h0, ..., hi, e_input(Britain), hi+1, ..., hm, e([MASK])}

在网络结构上使用embedding层加上基于双层LSTM和relu激活的MLP来实现。训练过程中使用LSTM，但在推理过程中可以把LSTM给去掉。

最终在效果上实现了bert等大模型重训的提升。

huggingface peft关于p-tuning的核心代码实现在PromptEncoder

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

3. Parameter-Efficient Prompt Tuning

本篇论文可以看成是prefix-tuning的简化版，一方面文中实验证明了使用自动生成的soft prompt方法进行tuning的效果跟model tuning差不多，同时超过了人工设计的prompt。

另一方面，文中对model tuning和prompt tuning做了如下图的对比，prompt tuning可以大幅节省参数量。对于T5的XXL的model来说，全量的model tuning每个下游任务需要11B的参数量，用prompt tuning只需要20480个参数。需要注意跟prefix-tuning不同点：这里的prompt-tuning没有包含中间层的prefix，也没有对下游任务的输出网络进行修改。在prefix-tuning中使用了MLP进行prefix的reparameter

huggingface peft关于prompt-tuning的核心代码实现在PromptEmbedding

class PromptEmbedding(torch.nn.Module):
    ......
    def forward(self, indices):
        # Just get embeddings
        prompt_embeddings = self.embedding(indices)
        return prompt_embeddings

4. P-Tuning v2

在模型参数量小于10B的训练中，prompt tuning效果还是不及FT(fine-tuning), P-Tuning v2支持330M~10B规模的多任务tuning。P-Tuning v2可以看成是Deep Prompt Tuning在NLU领域的实现，而Deep Prompt Tuning用于问答任务的训练。

跟之前区别主要有以下几点：

1. 对于NLU任务没有使用像MLP的Reparameterization。
2. 在模型的每一层上都加上了layer prompt，不同任务可以共享相同的网络参数，支持多任务学习
3. 在分类头的verbalizer中使用了一个随机初始化的linear head
4. Prompt长度对于简单分类任务小于20，对于像序列标注这样的复杂任务需要100左右

以bert分类任务为例，P-Tuning v2相关的核心代码实现在BertPrefixForTokenClassification

在实现的时候有一个get_prompt方法，通过这个函数提前生成各层的prompt的prefix向量

class BertPrefixForTokenClassification(BertPreTrainedModel):
    def get_prompt(self, batch_size):
        prefix_tokens = self.prefix_tokens.unsqueeze(0).expand(batch_size, -1).to(self.bert.device)
        past_key_values = self.prefix_encoder(prefix_tokens)
        # bsz, seqlen, _ = past_key_values.shape
        past_key_values = past_key_values.view(
            batch_size,
            self.pre_seq_len,
            self.n_layer * 2, 
            self.n_head,
            self.n_embd
        )
        past_key_values = self.dropout(past_key_values)
        past_key_values = past_key_values.permute([2, 0, 3, 1, 4]).split(2)
        return past_key_values

然后在forward中通过self.bert方法中的past_key_values方法把prefix向量传入，在前向计算时会把传入的prefix向量进行拼接。

class BertPrefixForTokenClassification(BertPreTrainedModel):    
        ...
        def forward(
        self,
        input_ids=None,
        attention_mask=None,
        token_type_ids=None,
        position_ids=None,
        head_mask=None,
        inputs_embeds=None,
        labels=None,
        output_attentions=None,
        output_hidden_states=None,
        return_dict=None,
    ):
        return_dict = return_dict if return_dict is not None else self.config.use_return_dict

        batch_size = input_ids.shape[0]
        past_key_values = self.get_prompt(batch_size=batch_size)
        prefix_attention_mask = torch.ones(batch_size, self.pre_seq_len).to(self.bert.device)
        attention_mask = torch.cat((prefix_attention_mask, attention_mask), dim=1)

        outputs = self.bert(
            input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
            position_ids=position_ids,
            head_mask=head_mask,
            inputs_embeds=inputs_embeds,
            output_attentions=output_attentions,
            output_hidden_states=output_hidden_states,
            return_dict=return_dict,
            past_key_values=past_key_values,
        )
    ...

对于past_key_values可参考huggingface transformer中的实现【BertSelfAttention】。在forward中如果设置了past_key_value会通过torch.cat和layer的参数进行拼接。

class BertSelfAttention(nn.Module):
    ...
    def forward(
        self,
        hidden_states: torch.Tensor,
        attention_mask: Optional[torch.FloatTensor] = None,
        head_mask: Optional[torch.FloatTensor] = None,
        encoder_hidden_states: Optional[torch.FloatTensor] = None,
        encoder_attention_mask: Optional[torch.FloatTensor] = None,
        past_key_value: Optional[Tuple[Tuple[torch.FloatTensor]]] = None,
        output_attentions: Optional[bool] = False,
    ) -> Tuple[torch.Tensor]:
        ...
        elif past_key_value is not None:
            key_layer = self.transpose_for_scores(self.key(hidden_states))
            value_layer = self.transpose_for_scores(self.value(hidden_states))
            key_layer = torch.cat([past_key_value[0], key_layer], dim=2)
            value_layer = torch.cat([past_key_value[1], value_layer], dim=2)
        ...
    ...

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