中金：谷歌PaLM模型，迈向AGI愿景又一阶-全球新要闻

2023年5月，谷歌召开I/O大会推出新一代语言模型PaLM 2，其多语言、理解推理、代码生成等能力较初代PaLM又有了提升。谷歌宣称将PaLM 2大模型能力接入旗下25款应用中，以Bard、Workspace等为窗口触达个人与企业，赋能办公、医疗、网安等领域。我们认为，PaLM系列大模型彰显谷歌追求通用人工智能的愿景，背后有着算法、算力、系统架构等方面深厚的技术积淀。本文梳理了谷歌在大模型领域的算法积累以及PaLM系列模型背后的算力支撑。谷歌作为AI的引领者，其新应用有望推动AI加速落地。建议投资者关注5月谷歌I/O大会给行业带来的潜在催化。

(资料图片)

摘要

谷歌是大模型的奠基者、通用人工智能的探索者。2017年Google提出的Transformer神经网络架构在自然语言处理领域有着优秀的表现，随后迅速成为各类预训练大模型的基础架构。2017年以来，谷歌相继推出BERT、T5、Switch Transformer、PaLM-E等大模型，参数规模从1亿个拉升至1.6万亿个。从BERT到PaLM-E，我们不仅看到了模型参数规模的扩大，也看到了模型通用能力的增强（T5在探索将所有的任务都转化归一；Switch Transformer在探索由一个模型执行不同任务；PaLM-E具备视觉语言多模态能力，能够沟通物理现实和虚拟模型两个世界）。中金认为，这些大模型成果都以一种较为清晰的脉络，勾勒出谷歌想要实现通用人工智能的愿景。

应用落地是AI价值体现的关键，而推动AI落地离不开算力的支撑。PaLM-E综合了ViT和PaLM两个大模型的能力。利用机器视觉和语言理解，PaLM-E能够驱动机器人执行复杂任务。我们认为PaLM-E将大模型能力由“决策层”延伸至“执行层”，赋予了AI大模型应用落地的更大可能。我们认为大模型能力仍需算力基础设施的支撑。以PaLM为例，其训练动用了2个Cloud TPU v4 Pods和6144块TPU，采用数据并行和模型并行相结合的方式提升训练效率，最终形成参数规模高达5400亿个、硬件使用效率达57.8%的大语言模型。此外，谷歌还搭建了Pathways架构，通过资源管理器合理调度数据与算力资源，使得整体训练系统能在更大程度上更充分地利用硬件资源。

风险

AI应用发展不及预期，AI算力需求不及预期。

正文

探索通用人工智能，谷歌一直在路上

Transformer一生万物，谷歌引领大模型规模竞赛

谷歌是大模型的奠基者，其提出的Transformer成为此后大模型的基础架构。2017年Google发布《Attention is All You Need》，在人工智能史上具有里程碑意义。论文中提出的Transformer神经网络利用self-attention自注意力机制实现并行处理，使训练时间相较RNN大幅降低。随后谷歌BERT（2018年）、OpenAI GPT（2018年）、百度ERNIE（2019年）等基于Transformer的预训练语言模型相继提出，Transformer作为基础架构迅速在自然语言处理领域占据主导地位。

图表1：Transformer模型架构

资料来源：Vaswani A, Shazeer N, Parmar N, et al. Attention is all you need[J]. Advances in neural information processing systems, 2017, 30.，中金公司研究部

图表2：多头注意力机制直观图

资料来源：Jay Alammar，中金公司研究部

谷歌和OpenAI引领大模型“规模竞赛”。大模型是基于大量无标注语料信息进行预训练而形成的模型。直观上，语料规模越大，其蕴含的信息越丰富，模型所形成的参数越大，泛化能力也相应增强。为了获得效果更好的大模型，人工智能模型的语料规模越来越大，参数数量也呈指数级上升。Transformer（2017年）本身参数规模在1亿个，此后谷歌BERT（2018年，3.4亿）、OpenAI GPT-2（2019年，15亿）、谷歌T5（2019年，110亿）、OpenAI GPT-3（2020年，1750亿）、谷歌Switch Transformer（2021年，1.6万亿），参数规模的数量级不断刷新。我们看到，谷歌和OpenAI两者彼此超越，共同拉动大模型进入万亿时代。

图表3：国内外大模型参数量对比

注：数据截至2023年3月； 资料来源：北京智源人工智能研究院，中金公司研究部

► BERT。BERT是谷歌2018年提出的预训练语言模型，该模型基于Transformer编码器部分，采用自编码的方式进行预训练。简单来说，输入语料后掩盖部分字词，以类似于完形填空的方式训练语言模型的理解能力（与基于解码器部分的GPT有本质上的路线差异）。BERT学习了16GB的语料，形成3.4亿个参数（Large版本），在11项NLP基准测试中取得最佳结果（Devlin等，2018[1]）。

► T5（Text-to-Text Transfer Transformer）。T5模型旨在构建一个统一框架，将所有NLP任务都转化为“文本到文本”任务，再用同样的模型和训练过程来完成所有任务。T5完整地采用了Transformer的encoder-decoder架构（不同于BERT和GPT仅采用一部分）。T5语料规模增长到750GB，参数规模扩大到110亿个，在17个NLP任务中取得最佳成绩（Roberts等，2019[2]）。

► Switch Transformer。区别于此前的大模型，2021年提出的Switch Transformer最主要的特征之一在于模型稀疏。所谓“稀疏”，就在于接收到输入信号后，仅有部分的神经元会被激活；而并非稠密模型下，所有参数都会参与推理。Switch Transformer以MoE（Mixture of experts，混合专家系统）为技术基础，1.6万亿参数中内含了众多领域的知识；执行下游任务时会根据相关领域仅激活部分参数，使其尽管参数规模扩大至万亿水平，但算力需求并未同步膨胀。

回顾谷歌在大模型方面的成果，我们认为谷歌想要实现通用人工智能的愿景跃然纸上。AGI（Artificial general intelligence，通用人工智能）是人们对人工智能的终局畅想，彼时人工智能将拥有接近于人类水平的智能，不仅能够完成某一特定领域、单一模态的任务，更具备灵活解决更广泛的、更复杂问题的能力。从BERT到T5、Switch Transformer，我们不仅看到了模型参数规模的扩大，也看到了模型通用能力的增强（T5在探索将所有的任务都转化归一，Switch Transformer在探索由一个模型执行不同任务）。我们认为，这些大模型成果都以一种较为清晰的脉络，勾勒出谷歌通用人工智能的愿景。

图表4：Transformer、BERT、T5、Switch Transformer之间的对比介绍

资料来源：ORKG，中金公司研究部

PaLM系列大模型：谷歌向AGI愿景迈上的又一阶

PaLM：语言理解、逻辑推理、代码生成等能力进一步增强

2022年谷歌探索新的技术路线，发布仅基于Transformer解码器部分的大模型PaLM。PaLM（Pathways language model）是首个由谷歌自研Pathways系统架构训练而成的预训练大模型，是仅基于Transformer解码器部分开发的一个稠密模型。其训练动用了2个Cloud TPU v4 Pods和6144块TPU，采用数据并行和模型并行相结合的方式提升训练效率，最终形成参数规模高达5400亿个、硬件使用效率达57.8%的大语言模型。

图表5：PaLM模型在两个TPU v4 Pod上进行训练

资料来源：Chowdhery A, Narang S, Devlin J, et al. Palm: Scaling language modeling with pathways[J]. 2022.，中金公司研究部

在语言理解、逻辑推理以及代码生成等许多难度较大的任务上，PaLM模型都有着不俗的表现（Google Research，2022[3]）——

► 语言理解：在29项常用的英文NLP任务中，PaLM-540B在自然语言推理、常识推理、上下文理解、问题解答等28项任务上超过此前性能最优的模型。此外，PaLM的优秀性能并非仅局限于英文语境下，尽管训练语料中非英语料仅占22%的比重，但是相比基于更多非英语料训练而成的大模型，其表现也丝毫不显逊色。

图表6：PaLM在28个英文NLP任务中获取SOTA

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

图表7：PaLM非英文NLP任务表现并不逊色

资料来源：Chowdhery A, Narang S, Devlin J, et al. Palm: Scaling language modeling with pathways[J]. 2022.，中金公司研究部

► 逻辑推理：在《AI浪潮之巅系列：ChatGPT之后，大小模型如何推演》中我们提到过，有研究认为，当模型参数规模上升到一定程度后会形成突现能力。例如利用思维链提示，PaLM能够更好地处理数理逻辑与常识推理相结合的复杂任务。

图表8：结合思维链提示，PaLM显现更优的逻辑推理能力

资料来源：Chowdhery A, Narang S, Devlin J, et al. Palm: Scaling language modeling with pathways[J]. 2022.，中金公司研究部

► 代码生成。代码生成任务一般包括人类语言向编程语言转换（text to code）、一种编程语言向另一种编程语言转换以及debug（code to code）。谷歌研究发现尽管PaLM-540B训练语料中仅有5%的内容的代码数据，但是它的测试表现依然媲美代码训练数据量是其50余倍的Codex-12B。

图表9：PaLM代码生成能力示例

资料来源：Chowdhery A, Narang S, Devlin J, et al. Palm: Scaling language modeling with pathways[J]. 2022.，中金公司研究部

PaLM 2：较初代PaLM，性能得到进一步提升

2023年5月，谷歌于I/O大会上正式发布PaLM 2。作为谷歌下一代语言大模型，谷歌在三方面实现大模型能力的升级，进一步优化计算效率、丰富训练语料、完善模型架构，使得性能相较初代PaLM模型呈现二次提升（谷歌，2023年[4]）。

► 优化计算效率。其基本思想在于精心筛选高质量数据，再将模型规模和训练语料规模成比例地缩放。利用这种方法，PaLM 2的参数规模较初代PaLM小得多（谷歌未明确其规模大小），但其整体计算效率得到提高。我们认为有望降低服务成本，为赋能更多下游应用场景提供可能。

► 丰富训练语料。初代PaLM的预训练数据集以英语文本为主。PaLM 2在训练语料中加入更多语言文本，包括数百种人类语言、编程语言、数学方程、科学论文等等。更优质且丰富的语料，增强了PaLM 2在多语言能力、理解推理、代码生成等方面的能力。

► 完善模型架构。PaLM 2在不同的任务上进行了训练，有助于PaLM 2从训练中积累更多信息。

图表10：PaLM 2与PaLM在不同语种熟练度测试中的对比

资料来源：谷歌《PaLM 2 Technical Report》（2023年），中金公司研究部

图表11：PaLM 2逻辑推理能力示例

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

图表12：PaLM 2代码生成能力示例

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

25款谷歌产品注入PaLM 2大模型能力。2023年谷歌I/O大会不仅发布PaLM 2大模型，还宣布将PaLM 2模型能力接入旗下25款产品中。例如谷歌对话机器人Bard将通过PaLM 2提升多语言对话、理解推理、代码生成能力；Workspace将AI能力落地企业办公，提高Gmail、Doc、Sheet等办公软件使用效率；支持Duet AI，以生成式AI协作工具提升团队合作效率；在健康医疗以及网络安全领域，分别推出基于PaLM 2的、专注于细分场景的AI模型Med-PaLM 2、Sec-PaLM 2。我们看到，谷歌PaLM 2深入下游应用场景，在企业办公、医疗、安防等多场景落地，我们认为应用落地是AI价值体现的重要方式。

图表13：Med-PaLM 2在医疗测试中达到85.4%正确率

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

图表14：PaLM 2赋能的应用生态

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

PaLM-E：视觉、语言多模态，大模型睁眼看世界

结合ViT的视觉能力，PaLM-E建立模型虚拟世界到物理实体世界的桥梁。2023年，谷歌推出5620亿参数的大模型PaLM-E，参数规模迈上新台阶。其模型能力实际上综合了ViT（Vision Transformer，220亿参数）和PaLM（5400亿参数）两个模型的能力。前者将大模型能力泛化至CV领域，赋予大模型视觉能力；后者凭借优秀的语言理解、逻辑推理、代码生成等能力，赋予大模型思考能力。两相结合，PaLM-E模型具备多模态能力，能够观察物理实体世界的信息，由大模型进行分析理解，再将决策结果反馈至物理世界，由此沟通物理和虚拟两个世界。

图表15：PaLM-E模型的简要总结

资料来源：Danny Driess, Fei Xia et al. PaLM-E: An Embodied Multimodal Language Model[J]. 2023.，中金公司研究部

图表16：PaLM-E模型能力一览

资料来源：Danny Driess, Fei Xia et al. PaLM-E: An Embodied Multimodal Language Model[J]. 2023.，中金公司研究部

以机器人为例，当面对“从抽屉中取出薯片给我”任务时，人类的反应是一气呵成的；但是对于大模型来说，它需要将这个任务分解成三个子任务（任务与运动规划、桌面环境分析、移动操作），分别对应三个环节（决策层、感知层、执行层）。PaLM-E首先将大目标细化为多个小目标（去抽屉处—打开抽屉—取出薯片—将薯片送至我处—放下薯片），然后在每个小目标阶段通过机器视觉分析当前桌面环境，依此执行取放操作。

图表17：PaLM-E驱动机器人执行任务

资料来源：Danny Driess, Fei Xia et al. PaLM-E: An Embodied Multimodal Language Model[J]. 2023.，中金公司研究部

中金认为，谷歌PaLM-E是其通往AGI愿景的又一重要里程碑。一方面，PaLM-E以多模态为主要特征，切实地与物理世界产生交互。这与人类的行为方式相吻合，通过知觉器官感知世界并通过四肢与世界发生交互。另一方面，PaLM-E并非多个特定领域大模型的并集，而是初步实现了仅由一个大模型执行多个跨模态复杂任务，且不同任务中所积累的经验能够迁移至其他更多任务中，而非仅服务于单个任务，与人类的思维学习方式日趋接近。

图表18：PaLM-E展现出跨领域地迁移学习能力

资料来源：Danny Driess, Fei Xia et al. PaLM-E: An Embodied Multimodal Language Model[J]. 2023.，中金公司研究部

TPU和Pathways，PaLM系列模型背后的能力底座

如前所述，PaLM-E模型是PaLM、ViT模型能力的综合体，而PaLM模型是谷歌首个基于Pathways系统以及TPU v4开发的大模型，PaLM 2在PaLM的基础上实现性能的二次提升。我们认为，大模型的能力来源于大数据、大算力、强算法，对于PaLM系列模型而言，训练过程中TPU芯片所提供的算力支持以及Pathways框架对算力资源的调度能力，是PaLM系列模型优秀能力所不可或缺的硬件端、系统端支撑。

TPU：提供算力的硬件基础

能够用于加速人工智能计算的芯片通常包括CPU、GPU、FPGA与ASIC等几个主要类别。

► CPU（Central processing unit，中央处理器）：CPU是通用计算芯片，应用相当广泛。但由于CPU遵循传统冯·诺伊曼架构，每次计算均需要从内存中取数、执行计算、再将结果存入内存，内存访问速度较慢。因此当面对大规模计算时，CPU总吞吐量会受到限制。

► GPU（Graphic processing unit，图形处理器）：GPU内部包括数以千计个算术逻辑单元（ALU），因此可以并行处理数千个乘法与加法运算；而人工智能神经网络中包含大量矩阵运算，恰与GPU的工作原理相契合。但与CPU类似，每个ALU仍受吞吐量的限制。

► FPGA（Field programmable gate arrays，现场可编程门阵列）：FPGA能够根据使用场景调整电路编程，灵活性是其最重要的特点之一，但对使用者的编程能力提出了较高要求。

► ASIC（Application-specific integrated circuit，专用集成电路）：ASIC与可灵活编程的FPGA不同，它是专门为某一特定任务而开发的。尽管用途专一局限、开发周期较长，但其高效能、低功耗、低延迟的特点，仍吸引一些资金实力较强的厂商着力开发。

图表19：CPU、GPU、FPGA、ASIC对比

资料来源：谷歌官网，华为官网，中金公司研究部

硬件服务算法，TPU是谷歌专门为人工智能神经网络而设计的ASIC芯片。TPU（Tensor processing unit，张量处理器）以矩阵计算为主要任务，内部包含数以千计的计算单元（ALU），左右ALU呈矩阵分布，且每个ALU均与上下左右四个方向的其他ALU直接连接，谷歌称之为脉冲架构（Systolic array）。进行计算时，TPU从HBM（High bandwidth memory，高带宽内存）中取出参数与数据后，数据在计算单元间流过时直接进行乘法与加法运算，不再与内存进行交互。由此TPU能够实现较大的总吞吐量，提升整体运算效率。

图表20：TPU硬件结构（以TPU v2、TPU v3为例）

资料来源：Nextplatform，中金公司研究部

TPU v4是PaLM模型训练背后的算力基础。2021年谷歌I/O大会上第四代TPU正式发布，其算力达275 TeraFLOPS，较第三代有2倍以上的提升。一般4096个TPU v4构成一个TPU v4 Pod，合计算力超过1 ExaFLOPS。从谷歌最新发布的TPU v4论文[5]可知，除了算力较前代有较大幅度升级外，TPU v4的亮点还在于采用了光路开关实现了可重配置的光互连，“以光代电”加快TPU v4群之间的传输速率，灵活性以及可拓展性均有较大程度提升。谷歌PaLM模型的训练基于2个TPU v4 Pod、6144块TPU v4芯片，我们认为高算力芯片以及提升数据传输速度的硬件设计是PaLM大模型重要的硬件支撑。

图表21：TPU v3与TPU v4性能对比

注：表中算力精度均为bf16 or int8； 资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

Pathways：调度算力的系统框架

愿景：构建一个通用、跨模、稀疏的AI框架

谷歌最初提出Pathways的愿景是构建通用人工智能的AI框架[6]，希望人工智能的实现方式尽可能地贴近人类思维——

► 通用。“大炼模型”时代，各厂商针对各自细分行业的特点开发AI模型，使得全行业AI算法数量较多。这些模型虽然规模较小，但是更好地契合了特定任务的需求，用途也较为局限。但谷歌认为，人类在学习新技能时会基于以往积累下的经验进行迁移学习，例如看到一张航拍图像，不仅能够分析图片内容，还能了解背后的风土文化。因此，谷歌Pathways的愿景之一在于构建一个泛用性更强的人工智能模型。

► 跨模。Transformer架构最初应用于机器翻译，由于其在NLP任务中的良好表现而被广泛应用于自然语言处理领域。当前以GPT为代表的大模型多执行“A生B”式的任务，但无论是A还是B，目前均只能接收或输出单一模态，而不能接受同时包括文字、图片、语音等信息的输入。谷歌认为人类处理问题时某一瞬间接收到的信息是复杂、多样、跨模态的，人工智能也应当如此。因此，谷歌Pathways的愿景之一在于构建一个多模态的人工智能模型。

► 稀疏。GPT、BERT等当前主要大模型都是稠密模型，执行下游任务时所有参数都会参与训练与推理。但从人脑的思维方式出发，尽管我们脑中储备的经验知识很多，但是在处理不同下游任务时会根据情景调取不同的储备。因此，谷歌Pathways希望做一个稀疏且高效的模型。此外，稀疏模型在能效方面更有优势，例如GShard和Switch Transformer两个稀疏模型的能耗是同等规模稠密模型的十分之一。

图表22：谷歌希望构建一个通用、跨模、稀疏的人工智能框架

资料来源：谷歌官网，中金公司研究部

实际：优化TPU算力调度，AGI愿景阶段性成果

尽管前文谈到谷歌设计Pathways的重要初衷在于构建一个通用、跨模、稀疏的AI框架，但其关于Pathways架构的论文[7]所展示的内容实际上围绕“如何通过架构设计提高TPU芯片计算效率”展开。我们认为实现通用人工智能并非一蹴而就，其背后有芯片、架构设计等诸多细节的铺垫，谷歌当前的布局有望一步步补齐AGI的整个拼图。

Pathways旨在提高异构AI加速芯片集群上的数据处理效率。随着大模型语料规模、算力规模、参数规模的不断上升，简单的数据并行（将数据分成不同份，每份在一个计算集群上进行训练）已难以满足大模型训练的需求，例如PaLM即采用了数据并行与模型并行（将模型按层分成不同份，每份在一个计算集群上进行训练）相结合的方式提升训练效率。我们认为，在这样的背景下，MPMD（多程序，多数据）[8]的编程范式将变得更为常见，对数据以及算力资源的调度能力的重要性逐步提升。Pathways架构中的资源管理器（Resource manager）可实现对多数据、多程序的调度，将数据处理程序映射到TPU硬件上，同一块TPU甚至可以同时分配给不同的数据处理任务中。由此，Pathways能够在更大程度上充分利用硬件资源，减少资源的空耗与浪费。

图表23：Pathways系统架构一览

资料来源：Barham P, Chowdhery A, Dean J, et al. Pathways: Asynchronous distributed dataflow for ml[J]. Proceedings of Machine Learning and Systems, 2022, 4: 430-449.，中金公司研究部

建议关注潜在催化作用

应用落地是AI价值体现的关键。从谷歌2023年推出的两个大模型PaLM-E、PaLM 2，我们看到谷歌积极将AI落地实际场景。PaLM-E利用机器视觉和语言理解，能够驱动机器人执行复杂任务，将大模型能力由“决策层”延伸至“执行层”，赋予了AI大模型应用落地的更大可能。PaLM 2成为类似于OpenAI GPT-4的基础大模型，谷歌宣布将其应用于旗下25款产品中，以Bard、Workspace等为窗口触达个人与企业，赋能办公、医疗、网安等领域。

而推动AI落地离不开算力的支撑。以PaLM为例，其训练动用了2个Cloud TPU v4 Pods和6144块TPU，采用数据并行和模型并行相结合的方式提升训练效率，最终形成参数规模高达5400亿个、硬件使用效率达57.8%的大语言模型。此外，谷歌还搭建了Pathways架构，通过资源管理器合理调度数据与算力资源，使得整体训练系统能在更大程度上更充分地利用硬件资源。

我们建议投资者关注5月谷歌I/O大会对产业链的潜在催化作用。

风险提示

► AI应用发展不及预期。我们看到，随着全社会数字化转型及智能化渗透率的提升，人工智能持续赋能各行各业。而人工智能依赖于海量数据进行模型训练及推理应用，推动全社会算力需求的提升，服务器、存储器、通信网络设备等上游硬件基础设施有望受益于AI驱动的算力需求提升。如果人工智能发展及应用落地不及预期，可能会使上游硬件设备受到需求侧的压制，发展不及预期。

►AI算力需求不及预期。若AIGC因为伦理等问题遇到严格监管，则存在技术进步放缓、各厂商大模型开发节奏放缓的风险；此外，若AIGC应用端的推广不及预期，则我们对活跃用户数的假设也存在不及预期的风险。这些不确定性最终会导致大模型厂商对上游芯片需求不及预期。

[1]Devlin J, Chang M W, Lee K, et al. Bert: Pre-training of deep bidirectional transformers for language understanding[J]. 2018.

[2]Roberts A, Raffel C, Lee K, et al. Exploring the limits of transfer learning with a unified text-to-text transformer[J]. 2019.

[3]Chowdhery A, Narang S, Devlin J, et al. Palm: Scaling language modeling with pathways[J]. 2022.

[4]谷歌《PaLM 2 Technical Report》（2023年）

[5]TPU v4: An Optically Reconfigurable Supercomputer for Machine Learning with Hardware Support for Embeddings

[6]https://blog.google/technology/ai/introducing-pathways-next-generation-ai-architecture/

[7]PATHWAYS: ASYNCHRONOUS DISTRIBUTED DATAFLOW FOR ML

[8]Multiple program multiple data（MPMD）：多个程序在多个处理器上执行，每个程序处理不同的数据；

注：本文摘自：2023年5月13日已经发布的《AI浪潮之巅系列：谷歌PaLM模型，迈向AGI愿景又一阶》分析师：陈昊 S0080520120009 ；孔杨 S0080122110018；彭虎 S0080521020001

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