第 7 课:Scaling Laws 与算力预算

第一部分我们看清了模型长什么样。现在进入第二部分——模型是怎么被"造"出来的。第一站是最底层的约束:给定一笔算力预算,该造多大的模型、喂多少数据?这不是拍脑袋,而是有可计算的公式。

🎯 学完这 6 步你将能够:
① 用 C ≈ 6ND 估算一次训练的算力,并反推给定预算下的最优模型大小与 token 数
② 说清 Chinchilla 的 20:1 规则怎么来的,以及为什么现代模型故意"过训练"
③ 判断一个模型的训练配方是否合理,并解释 MoE(混合专家:把模型拆成许多个专家子网络,每个 token 只激活其中少数几个,用较少计算换取更大参数量)为什么让数据墙更严重
🗺 本节推理链(6 步:从"算力怎么算"到"给定预算怎么分配")
1要谈"该造多大模型",必须先能算清一次训练花多少算力——因此需要一条可复算的公式:训练 FLOPs ≈ 6 × 参数量 × token 数(前向 2 + 反向 4),否则"预算"只是一个说不清的量。
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2有了算力公式,下一个问题是这笔算力怎么在"模型大小 N"和"数据量 D"之间分——这就要求做实验找出最优分配:Chinchilla 用 400+ 次训练发现 N 与 D 应等比例增长(各正比于 C0.5),于是得到"约 20 token / 参数"的经验规则。
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3但 20:1 只是"训练最省"的点,因为 inference 成本正比于参数量而非 token 数,所以现代模型故意过训练——用远超 20:1 的数据量训一个更小的模型,训练多花一点、推理长期省很多(Llama 3 8B 用了约 1875:1)。
↓
4过训练需要海量数据,这就要求回答"数据够不够"——高质量公开文本约 300 万亿 token(估算),而 Chinchilla 规则下万亿参数模型需要 20 万亿 token 量级,于是出现"数据墙":算力还在涨,可用的新数据却快见底。
↓
5数据墙之下,因此出现两条绕行路线:一是 MoE(把总参数做大、激活参数压住,用容量换数据效率),二是合成数据与数据复用;但 MoE 让 token 需求按总参数而非激活参数增长,于是数据墙反而更严重。
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6把上面五步收成一个可操作的决策流程:给定预算 C → 用 Nopt ≈ √(C / (6 × 20)) 定模型大小 → 按过训练倍数定 token 数 → 检查数据是否够 → 不够则考虑 MoE 或合成数据,于是你就能自己审一份训练配方。
Scaling LawsChinchillaCompute BudgetOvertrainingData WallMoE
1
模型越大越好,还是数据也要按比例跟上?——两篇论文为此打了一架,后来谁赢了?
提示:先想"模型大小"和"数据量"是不是在抢同一笔算力预算;再看两篇论文各主张把预算多分给谁;最后想:如果实验口径或做法有偏差,结论会不会整个反过来。
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知识背景
Scaling Law(缩放律:把「模型多大、数据多少」写成能预测的经验公式)领域最有名的一次分歧。① Kaplan et al. 2020(《Scaling Laws for Neural Language Models》, arXiv:2001.08361):损失随模型规模 N、数据量 D、算力 C 呈幂律(power law:损失按固定指数随规模下降的规律)下降;他们发现「更大的模型样本效率更高」,主张把算力主要投给模型——算力翻 10 倍时,参数涨约 5.5 倍、数据只涨约 1.8 倍。② Hoffmann et al. 2022(《Training Compute-Optimal Large Language Models》, arXiv:2203.15556,DeepMind):用 400+ 次受控实验修正为 N 与 D 近似等比例增长(各 ∝ C0.5),经验上约 20 token / 参数;并用 70B 参数、1.4T token(模型读写文本的最小单位)的 Chinchilla,在同等的算力下打败了 280B 参数的 Gopher。痛点:当时整个行业都在「把模型做大、数据几乎不变」,却没人验证过这笔账到底该怎么分。

上一课我们把 LLM 家族画成了一张全景图。从这一课起,镜头切到「模型是怎么被造出来的」,第一站是最底层的约束——算力。

要谈「该造多大模型」,前提是先能算清一次训练花多少算力。这条公式(训练 FLOPs ≈ 6 × 参数量 × token 数,算力按 BF16(一种训练常用的半精度浮点格式)口径计)已在第 5 课推导过,这里直接拿来用,不再重复。

但「怎么算」只是一把尺子,真正有故事的问题是怎么分:同一笔算力预算,是换成一个更大的模型,还是换成更多的训练数据?2019 到 2022 年,这个问题被两篇论文公开「吵」了一架。

可以把这类比成给仓库配货架和货:算力是装修预算,货架是模型参数(决定能装多少),货是要喂的数据(决定装了什么)。Kaplan 一派说「多搭货架,货少一点也高效」;Chinchilla 一派说「货架和货要按比例一起加,光搭货架是浪费」。

谁赢了、为什么赢,以及这个故事怎么直接引出后面「过训练」的那张卡,都在下面的算账里。

照 Kaplan 的配方,算力会被浪费:GPT-3 用 175B 参数却只喂了 300B token(约 1.7 token / 参数),而按后来修正的 20:1,它本应喂约 3.5T token——数据少了约 12 倍,多出来的是「空转」的大模型。

🧮 两篇论文的算账:同一笔预算到底怎么分
Step 1:两派的主张——算力翻 10 倍,各分给谁
论文参数量随算力增长数据量随算力增长两者相乘(≈6ND 倍数)
Kaplan et al. (2020)N ∝ C0.73(约 5.5×)D ∝ C0.27(约 1.8×)5.5 × 1.8 ≈ 9.9×
Chinchilla (2022)N ∝ C0.50(约 3.16×)D ∝ C0.50(约 3.16×)3.16 × 3.16 ≈ 10×
两派都自洽——都把算力放大了约 10 倍。差别全在「给谁多」:Kaplan 让模型涨 5.5 倍、数据只涨 1.8 倍;Chinchilla 让两者都涨约 3.16 倍。这就是「模型越大越好」与「数据也要跟上」的分歧点。
Step 2:同一笔预算,两种分法各花多少(数值为示意)
方案参数量 N数据 D算力 6ND相对基准
基准(示意)10B100B6 × 10e9 × 100e9 = 6 × 10²¹1×
只把参数翻倍(Kaplan 式)20B100B6 × 20e9 × 100e9 = 1.2 × 10²²2×
参数与数据一起翻倍(Chinchilla 式)20B200B6 × 20e9 × 200e9 = 2.4 × 10²²4×
同样把参数翻倍:数据不动,算力只涨 2 倍;数据跟着翻倍,算力才涨 4 倍。因为 C ≈ 6ND 是 N 与 D 的乘积——两者各翻一倍,乘积就翻四倍。(这一组数值是示意,不指向任何真实模型。)
Step 3:把「20:1」解出来
步骤计算结果
算力公式C ≈ 6 × N × D——
代入 D = 20 NC ≈ 6 × N × 20N= 120 N²
反解模型大小N ≈ √(C / 120)给定预算即可定 N
复算 Chinchilla70B × 20= 1.4 × 10¹² = 1.4T token
70B × 20 = 1.4T,与论文里 Chinchilla 的「70B 参数、1.4T token」完全对上。所以「20 token / 参数」不是拍脑袋的经验值,而是从 N ∝ C0.5、D ∝ C0.5 与 C ≈ 6ND 联立解出来的。
Step 4:Gopher vs Chinchilla——同算力下的胜负
模型参数量训练 tokentoken / 参数训练算力 6ND
Gopher280B300B≈1.16 × 280e9 × 300e9 ≈ 5.04 × 10²³
Chinchilla70B1.4T206 × 70e9 × 1.4e12 ≈ 5.88 × 10²³
两者算力几乎一样(5.04e23 vs 5.88e23,相差约 17%),Chinchilla 的参数只有 Gopher 的 1/4,却在多数基准上更好。这一局 Chinchilla 赢——因为 Gopher 正是「模型大、数据少」的旧配方(1.1 token / 参数,远低于 20)。
🎯 关键认知

这不是「谁对谁错」的学术八卦,而是一次关于口径与实验方法的教训:Kaplan 的分配之所以偏保守,是因为实验中的口径偏差(哪些参数与算力被计入)与设置差异,把结论推向了「模型越大越好」。Chinchilla 修正后给出一个可复算的答案——同一笔算力下,模型与数据应近似等比例增长(约 20 token / 参数)。但「训练最省」不等于「总成本最省」:工业界很快发现,把模型压小、数据喂到远超 20:1(过训练),长期推理反而更便宜——这正是本课第 3 张卡要算的账。

AI 助教
👋 对 Kaplan 与 Chinchilla 的分歧有疑问?比如「为什么两篇会算出不同答案?」「20:1 是普适常数吗?」

我会用具体数字帮你算。
2
给定一笔算力预算,模型该造多大、数据该喂多少?
提示:先想两个极端——模型极大但数据极少,和模型极小但数据极多,哪个更亏?再想"每翻倍一次模型,数据该跟着翻多少"。
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知识背景
Chinchilla 缩放律(Hoffmann et al., DeepMind, 2022):在固定算力预算下,模型大小 N 与训练 token 数 D 应等比例增长——Nopt ∝ C0.5、Dopt ∝ C0.5,经验上约 20 token / 参数。论文训练了 400+ 个模型(70M~16B 参数、5B~500B token)得出该结论,并用 70B 参数 / 1.4T token 的 Chinchilla 模型在同等算力下击败了 280B 参数 / 300B token 的 Gopher。

上一张卡片我们有了算力公式 C ≈ 6ND。现在问题来了:给定一笔预算 C,N 和 D 该怎么分?

先看两个极端:模型极大但数据极少(参数没喂饱),或模型极小但数据极多(容量不够用)。因为两者都会浪费算力,所以必然存在一个最优分配点——Chinchilla 用 400+ 次实验把它找了出来。

可以把这类比成给一个固定大小的厨房配厨师和食材:厨师太多(参数大)但食材不够,厨师闲着;厨师太少(参数小)但食材堆积,做不完。最优配比是两者同步增长。

🧮 Chinchilla 规则:从实验到 20:1
Step 1:Kaplan 与 Chinchilla 的分歧
结论Nopt 的指数Dopt 的指数含义
Kaplan et al. (2020)C0.73C0.27算力主要用来放大模型
Chinchilla (2022)C0.50C0.50模型与数据等比例增长
分歧的根因有三条(Porian et al., 2024, arXiv:2406.19146):① 算力 / 参数口径——Kaplan 统计 non-embedding 参数、且未计入最后一层等算力项;② 学习率与 warmup——各 run 用同一套固定调度,短训练被系统性低估,Chinchilla 把调度对齐到每个 run 的实际长度;③ 实验规模——Kaplan 主要靠小模型外推。三条一并修正后,结论就与 Chinchilla 一致了。
Step 2:20:1 是怎么算出来的
项目计算结果
算力公式C ≈ 6 × N × D——
代入 D = 20NC ≈ 6 × N × 20N = 120 N²——
反解 NNopt ≈ √(C / 120)给定预算即可算最优参数量
Chinchilla 验证N = 70B → D = 20 × 70B= 1.4T token(与论文一致)
所以"20 token / 参数"不是拍脑袋的经验值,而是从 N ∝ C0.5、D ∝ C0.5 与 C ≈ 6ND 联立解出来的。
Step 3:Gopher vs Chinchilla——同算力下的对照实验
模型参数量训练 tokentoken/参数MMLU 平均(Chinchilla 论文口径,可核验)
Gopher280B300B≈1.160.0%
GPT-3175B300B≈1.743.9%
Chinchilla70B1.4T2067.5%
Chinchilla 参数只有 Gopher 的 1/4,MMLU 平均却从 60.0% 提到 67.5%(同一论文口径),且用几乎同样的算力——这直接证明了"当时的模型普遍训练不足"。(表中为 MMLU 平均,非全基准平均;早期曾引用"75.1/73.9/77.7"的写法查无一手来源,已改用可核验口径。)
🎯 关键认知

Chinchilla 的结论可以一句话概括:在固定算力下,模型大小和数据量应该同步增长,而不是一味放大模型。这条规则把"该造多大"从直觉变成了可计算的问题——给定预算 C,最优参数量就是 √(C/120)。

AI 助教
👋 对 Chinchilla 规则有疑问?比如"为什么 Kaplan 会算错?""20:1 是普适常数吗?"

我会用具体数字帮你算。
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既然 20:1 最省算力,为什么现代模型要故意"过训练"?
提示:算力只在训练时花一次,但模型上线后要被调用几亿次。想清楚"训练省"和"推理省"是不是同一件事。
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知识背景
过训练(Overtraining):故意用远超 Chinchilla 最优比例的数据量去训一个更小的模型。原因是推理成本正比于参数量——模型训一次、服务几十亿次,把参数压小、数据喂多,长期总成本更低。实测比例:Llama 2 70B 约 28 token/参数,Llama 3 8B 约 1875 token/参数(Chinchilla 建议约 160B token,实际用了 15T)。

上一张卡片我们得到 20:1 这个"训练最省"的点。但现实是:Llama 3 8B 用了约 1875:1——是 Chinchilla 建议的近 100 倍。为什么?

因为算力只在训练时花一次,而推理成本要跟着模型服务一辈子,所以"训练最省"不等于"总成本最低"。可以把这类比成买车:买车时多花点钱买省油的车,长期油费省得更多。反过来说,死守 20:1 也不划算:8B 模型按 20:1 只需喂约 160B token,训练端暂且省了,可上线之后推理要按每次调用重复付出——省的是「训练一次」,亏的是「推理一辈子」。

🧮 过训练账:训练多花 vs 推理省下
Step 1:两种方案的训练成本对比
方案参数量 Ntoken Dtoken/参数训练算力 6ND
Chinchilla 最优70B1.4T20:16 × 70e9 × 1.4e12 = 5.9 × 10²³
过训练(示意)20B4T200:16 × 20e9 × 4e12 = 4.8 × 10²³
过训练方案把模型压到 20B、数据加到 4T(200:1),训练算力 4.8e23 比 Chinchilla 最优的 5.9e23 低约 19%——即"用低一档的训练算力,换一个更小、但喂得更饱的模型"。
Step 2:推理成本才是大头
项目70B 模型20B 模型倍数
单次推理 FLOPs(每 token)2 × 70e9 = 1.4e112 × 20e9 = 4.0e103.5×
权重显存(fp16)140 GB40 GB3.5×
假设服务 10¹² 个 token1.4e23 FLOPs4.0e22 FLOPs3.5×
推理算力 = 2 × N × 生成 token 数(只有前向,系数 2)。注意:这里只算权重项,未计入注意力随序列长度平方增长的部分——长上下文推理时该项会显著上升(与 7-1 追问 4 的口径一致)。服务量越大,参数量带来的差距越致命。
Step 3:盈亏平衡点在哪
项目计算结果
训练算力差5.9e23 − 4.8e231.1 × 10²³ FLOPs(70B 多花)
每 token 推理算力差1.4e11 − 4.0e101.0 × 10¹¹ FLOPs
平衡服务量1.1e23 ÷ 1.0e11≈ 1.1 × 10¹² token
只要模型累计服务超过约 1.1 万亿 token,过训练方案的总算力就更省。对一个日活百万的产品,这个量级几周就能达到——所以过训练几乎总是划算的。
🎯 关键认知

Chinchilla 回答的是"训练最省",而工业界要的是"总成本最省"。因为推理成本正比于参数量、且要乘以服务次数,所以把模型压小、把数据喂多(过训练)几乎总是更优——这就是为什么现代开源模型普遍在 100:1 到 2000:1 之间,而不是 20:1。

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👋 对过训练有疑问?比如"过训练有没有上限?""为什么不能无限过训练?"

我会用具体数字帮你算。
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过训练需要海量数据,可用的高质量文本到底还剩多少?
提示:先估一下互联网上高质量公开文本的总量,再算一个万亿参数模型按 Chinchilla 规则需要多少 token。两个数一对比,问题就出来了。
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知识背景
数据墙(Data Wall):Epoch AI 估算互联网上高质量、可公开获取的人类文本总量约 300 万亿 token(估算值,不同机构定义差异大),并预测这一存量将在 2026~2032 年间(80% 置信区间)被完全用尽。而按 Chinchilla 规则,一个 10 万亿参数模型需要约 200 万亿 token。同时,MIT 牵头的 Data Provenance Initiative 发现:一年内 28% 的最活跃维护的关键来源被施加了访问限制(改服务条款或技术封锁),C4 数据集中已有 45% 受限。

上一张卡片我们看到过训练需要海量数据。那问题来了:数据够吗?

因为高质量公开文本的总量是有限的,而模型规模还在指数增长,所以必然存在一个"撞墙"的时刻。可以把这类比成粮仓:粮食总量固定,但吃饭的人越来越多、饭量越来越大。

🧮 数据墙账:需求 vs 存量
Step 1:需求侧——不同规模模型要多少 token
模型规模Chinchilla 最优 token(20:1)过训练 100:1
7B140B700B
70B1.4T7T
405B8.1T40.5T
1T20T100T
10T200T1000T
注意:过训练把需求又放大了 5 倍。10T 参数模型按 100:1 需要 1000 万亿 token——远超存量估算。
Step 2:供给侧——存量与"被锁住"的部分
项目数值说明
高质量公开文本存量≈300 万亿 tokenEpoch AI 估算(口径差异大)
被施加访问限制约 25%~28% 的最活跃关键来源(二手来源口径不一)Data Provenance Initiative 报告;"C4 中 45% 受限"未见一手原句,需人工核实
实际可用(保守估计)≈216 万亿 token 量级(按"关键来源 28%"近似套用于 token 存量,粗估)300 × (1 − 28%)
被锁住的恰恰是最活跃维护、质量最高的那部分(新闻、论坛、代码托管),不是边角料。注意口径:28% 指"关键来源"的占比,不是"全部 token"的占比(后者约 5%)——若严格按 token 级受限比例(约 5%)算,可用存量约 285 万亿;两种口径结果不同(216T vs 285T),此处取保守的 216T,数值需人工核实。
Step 3:缺口有多大
对比项需求可用存量缺口
1T 参数模型(20:1)20T216T无缺口
10T 参数模型(20:1)200T216T接近耗尽
10T 参数模型(100:1)1000T216T缺 4.6 倍(按 285T 口径则约 3.5 倍)
结论:在 Chinchilla 规则下,10T 参数模型已经接近耗尽全部高质量文本;若再叠加过训练,缺口达数倍。这就是"数据墙"的量化含义。
🎯 关键认知

数据墙不是"没有数据",而是"能直接下锅的数据不够":存量有限(约 300 万亿 token,估算)、最活跃的关键来源还在被锁(28%)、而过训练又把需求放大了 5 倍。这三者叠加,使得"继续靠堆数据提升能力"这条路在 2026~2032 年间逐步失效。

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👋 对数据墙有疑问?比如"300 万亿 token 这个数怎么估的?""数据不够了怎么办?"

我会用具体数字帮你算。
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数据不够了,MoE 能解决问题吗?
提示:先想 MoE 省的是什么——是显存还是算力?再想"每个专家要看到多少 token 才能学好",这个需求是按总参数算还是按激活参数算?
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知识背景
MoE 与数据需求:稀疏 MoE 模型比 dense 模型更容易过拟合(Fedus et al., 2022;Zoph et al., 2022)。原因是每个专家在均衡路由下只看到约 K/E 的训练 token(K 为每 token 激活的专家数、E 为专家总数;本例 8/256 = 1/32),重复数据对它的伤害更大。因此 MoE 的数据需求按总参数而非激活参数增长——这让数据墙更严重,而不是更轻。

上一张卡片我们看到数据墙。一个自然的想法是:用 MoE 不就能绕过去吗?——毕竟 MoE 每 token 只激活一小部分参数,看起来"更省"。

但这个直觉是错的。因为 MoE 省的是算力不是显存,而数据需求恰恰跟着总参数走,所以 MoE 让数据墙更严重。可以把这类比成一家有 256 位专科医生的大医院:挂号只叫 8 位进诊室(省算力),但每位医生都得积累足够病例才能成为专家(数据需求按 256 人算)。

🧮 MoE 的数据账:为什么它让数据墙更严重
Step 1:MoE 省的是算力,不是显存
资源看哪个参数以 671B/37B 为例
显存占用总参数671B(4-bit 约 404GB)
每 token 算力激活参数37B(约为总参数的 5.5%)
所以 MoE 让"推理更便宜",但没让"模型更小"。
Step 2:每个专家看到多少 token
项目计算结果
路由专家数 E——256(DeepSeek-V3 口径,另有 1 个共享专家)
每 token 激活的专家数 K——8(top-8 路由)
每专家实际见到的 tokenD × K ÷ ED × 8 / 256 = D / 32
若 D = 15T15e12 × 8 ÷ 256≈ 4.7 × 10¹¹(4700 亿)
注意口径:因为每 token 会被 8 个专家同时看到,所以每专家见到的 token 是 D×8/E 而非 D/E。即便如此,4700 亿 token 相对 671B 的总参数仍然偏少——专家"吃不饱",所以需要更多数据。
Step 3:数据需求按总参数还是激活参数
口径数据需求(20:1)是否现实
按激活参数 37B740B token看起来很容易满足
按总参数 671B13.4T token接近 Llama 3 的 15.6T 量级
实测经验支持后者:MoE 模型的数据需求按总参数增长。所以 671B 的 MoE 需要万亿级 token——和 405B dense 模型是同一量级。
🎯 关键认知

MoE 是一个算力-数据交换:用"更多参数、更少激活"换取推理便宜,代价是数据需求按总参数增长。所以在数据墙的背景下,MoE 不是解药——它把问题从"算力不够"换成了"数据更不够"。真正的出路是合成数据、数据复用与推理时计算(test-time compute)。

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👋 对 MoE 与数据的关系有疑问?比如"专家数越多越好吗?""共享专家起什么作用?"

我会用具体数字帮你算。
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拿到一笔预算,怎么一步步定出模型大小和数据量?
提示:把前面五步串起来——先用 C ≈ 6ND 和 20:1 反解参数量,再按过训练倍数定 token 数,最后检查数据够不够。每一步都有公式。
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知识背景
把 Scaling Laws 用于工程决策的标准流程:① 用 C ≈ 6ND 把预算换算成算力;② 用 Nopt ≈ √(C/120) 定模型大小(Chinchilla 20:1);③ 按过训练倍数(通常 100:1~2000:1)定实际 token 数;④ 检查数据存量是否够;⑤ 不够则考虑 MoE、合成数据或推理时计算。这套流程是审阅任何训练配方的通用框架。

前面五张卡片分别讲了算力公式、Chinchilla 规则、过训练、数据墙、MoE。现在把它们串成一个可操作的决策流程。

因为每一步都有明确公式,所以这套流程可以当"审配方"的检查表用——拿到任何一份训练方案,都能逐步验算它是否合理。可以把这类比成装修前的预算表:先算总面积(算力),再定房间数(模型大小),最后核对材料够不够(数据存量)——每一步都能提前验算,而不是装到一半才发现钱不够。

🧮 决策流程:给定预算 C,五步定方案
Step 1:把预算换算成算力
输入换算示例
GPU 数量 × 卡时× 单卡有效算力16384 卡 × 54 天
单卡有效算力BF16 dense 峰值 × 利用率989 TFLOPS × 50% ≈ 4.9e14 FLOP/s(50% 为假设的 MFU,估算)
总算力 C16384 × 4.9e14 × 54×86400≈ 3.8 × 10²⁵ FLOPs
Step 2:用 Chinchilla 反解模型大小
步骤公式代入 C = 3.8e25
Chinchilla 关系C ≈ 120 N²——
反解 NN ≈ √(C / 120)√(3.8e25 / 120) ≈ 5.6 × 10¹¹
结果——≈ 560B 参数(Chinchilla 最优)
注意:这是"训练最省"的点。实际 Llama 3 405B 比它小——因为选择了过训练。
Step 3:按过训练倍数定 token 数,并检查数据
方案参数量token 数数据是否够
Chinchilla 最优560B11.2T(20:1)够(存量 216T)
过训练约 38:1405B15.6T够(Llama 3 实际选择)
过训练 100:1405B40.5T够,但需大量重复
过训练 100:11T100T接近存量上限
Llama 3 405B 实际用了 15.6T token(约 38:1),介于 Chinchilla 最优与激进过训练之间——这是"训练成本"与"推理成本"的折中。
🎯 关键认知

这套流程的价值在于:它把"造模型"从"烧钱试错"变成了"先算后做"。给定预算,你能提前算出模型该多大、数据要多少、会不会撞数据墙——而不是训完才发现配方不对。这也是为什么第二部分后续每一课(数据、预训练、微调、对齐)都要建立在这张算力账上。

AI 助教
👋 对决策流程有疑问?比如"怎么判断一份训练配方是否合理?""预算翻倍该怎么调整?"

我会用具体数字帮你算。