Diplomovka/README.md

# Instruction fine-tuning slovenského Mistral 7B modelu

## Použitý model

Ako základný model bol použitý:

- `slovak-nlp/mistral-sk-7b`

Výsledný adaptér z prvého experimentu je dostupný na Hugging Face:

- `Jakub1320/mistral-sk-7b-slovak-alpaca-qlora`

---

## Hardvér

Experimenty boli realizované na dvoch serveroch.

### Titan

- 2× NVIDIA TITAN RTX
- 24 GB VRAM na GPU
- výpočty v `fp16`

### Hruška

- 2× NVIDIA RTX A4500
- približne 20 GB VRAM na GPU
- výpočty v `bf16`

---

# Prvý experiment – Slovak Alpaca

## Použitý dataset

Na supervised fine-tuning bol v prvom experimente použitý slovenský inštrukčný dataset:

- `saillab/alpaca-slovak-cleaned`

Dataset obsahuje polia:

- `instruction`
- `input`
- `output`

Dáta boli formátované v Alpaca štýle:

```text
### Inštrukcia:
...

### Vstup:
...

### Odpoveď:
...
```

## Metóda dotrénovania

Model bol dotrénovaný pomocou supervised fine-tuningu cez:

- Unsloth
- TRL `SFTTrainer`
- PEFT LoRA
- QLoRA štýl trénovania

Výsledkom tréningu je PEFT LoRA adaptér, ktorý sa pripája k základnému modelu `slovak-nlp/mistral-sk-7b`.

## Hlavné hyperparametre prvého experimentu

| Parameter | Hodnota |
|---|---:|
| Epochs | 1 |
| Max sequence length | 1024 |
| Batch size | 1 |
| Gradient accumulation | 8 |
| Effective batch size | 8 |
| Learning rate | 2e-4 |
| Optimizer | AdamW 8-bit |
| Scheduler | cosine |
| Warmup steps | 150 |
| LoRA rank | 16 |
| LoRA alpha | 32 |
| LoRA dropout | 0.05 |
| Quantization | 4-bit |
| Compute type | fp16 |

Použité LoRA cieľové moduly:

```text
q_proj, k_proj, v_proj, o_proj, gate_proj, up_proj, down_proj
```

## Vyhodnotenie pomocou vlastného evaluačného skriptu

Model bol vyhodnotený na testovacích príkladoch z datasetu `saillab/alpaca-slovak-cleaned` pomocou metrík ROUGE, BLEU, eval loss a perplexity.

| Metrika | Výsledok |
|---|---:|
| ROUGE-1 | 0.3710 |
| ROUGE-2 | 0.1702 |
| ROUGE-L | 0.2732 |
| BLEU | 6.2850 |
| Eval loss | 0.8081 |
| Perplexity | 2.2435 |

## Vyhodnotenie pomocou lm-evaluation-harness

Hodnotený bol PEFT LoRA adaptér pripojený k základnému modelu:

```text
slovak-nlp/mistral-sk-7b
+
Jakub1320/mistral-sk-7b-slovak-alpaca-qlora
```

### Použité benchmarky

| Benchmark | Popis |
|---|---|
| `arc_sk` | slovenské vedecké/školské otázky s výberom odpovede |
| `hellaswag_sk` | commonsense reasoning a výber najpravdepodobnejšieho pokračovania |
| `m_mmlu_sk` | slovenský všeobecný vedomostný benchmark |
| `truthfulqa_sk_mc1` | hodnotenie pravdivosti odpovedí, multiple choice MC1 |
| `truthfulqa_sk_mc2` | hodnotenie pravdivosti odpovedí, multiple choice MC2 |
| `sklegal` | slovenské právne otázky s výberom odpovede |
| `skquad` | slovenský question-answering benchmark |

Úlohy `sklegal` a `skquad` boli doplnené ako custom tasky.

## Výsledky lm-evaluation-harness

| Task | Počet vzoriek | Metrika | Výsledok |
|---|---:|---|---:|
| `arc_sk` | 1169 | acc | 0.3259 |
| `arc_sk` | 1169 | acc_norm | 0.3473 |
| `hellaswag_sk` | 9485 | acc | 0.4134 |
| `hellaswag_sk` | 9485 | acc_norm | 0.5106 |
| `m_mmlu_sk` | 13062 | acc | 0.2928 |
| `truthfulqa_sk_mc1` | 778 | acc | 0.2391 |
| `truthfulqa_sk_mc2` | 778 | acc | 0.3942 |
| `sklegal` | 1334 | acc | 0.2841 |
| `sklegal` | 1334 | acc_norm | 0.4693 |
| `skquad` | 9583 | exact | 1.9722 |
| `skquad` | 9583 | f1 | 27.7994 |
| `skquad` | 9583 | HasAns_exact | 2.4106 |
| `skquad` | 9583 | HasAns_f1 | 34.1456 |
| `skquad` | 9583 | NoAns_exact | 0.0561 |
| `skquad` | 9583 | NoAns_f1 | 0.0561 |
| `skquad` | 9583 | best_exact | 18.6163 |
| `skquad` | 9583 | best_f1 | 28.3012 |

---

# Experiment so strojovým prekladom datasetu

Cieľom experimentu bolo vyskúšať postup, pri ktorom sa anglické polia datasetu:

- `instruction`
- `input`
- `output`

automaticky preložia do slovenčiny a uložia do novej dátovej množiny so zachovaním pôvodnej štruktúry.

Výstupný formát obsahoval pôvodné anglické texty aj slovenské preklady:

```json
{
  "instruction_en": "...",
  "input_en": "...",
  "output_en": "...",
  "instruction_sk": "...",
  "input_sk": "...",
  "output_sk": "..."
}
```

Vznikla preložená vzorka datasetu s 1000 príkladmi.

Umiestnenie:

```text
translated_datasets/alpaca_translated_en_sk_1000.jsonl
```

---

# Experiment s datasetom Aya Collection

Pre ďalšie experimenty bol použitý dataset:

- `CohereLabs/aya_collection_language_split`
- subset: `slovak`

Používané polia boli mapované nasledovne:

| Pôvodné pole | Použitie pri tréningu |
|---|---|
| `inputs` | prompt / inštrukcia |
| `targets` | odpoveď |

---


# Prvý dlhý Aya tréning na serveri Titan – manuálne ukončený pokus

Pred úspešným 225 000-krokovým tréningom bol na serveri Titan spustený prvý dlhý tréning nad slovenskou časťou datasetu Aya Collection.

Tento experiment bežal na jednej NVIDIA TITAN RTX a používal streaming datasetu. Pôvodný konfiguračný súbor sa podarilo zachovať:

```text
train_mistral_sk_aya_slovak_full_lora.yaml
```

## Konfigurácia prvého dlhého tréningu

| Parameter | Hodnota |
|---|---:|
| Base model | `slovak-nlp/mistral-sk-7b` |
| Dataset | `aya_slovak_full` |
| Template | `alpaca` |
| Fine-tuning | LoRA |
| GPU | 1× NVIDIA TITAN RTX |
| Max sequence length | 1024 |
| Streaming | áno |
| Streaming buffer | 16 384 |
| Batch size per device | 1 |
| Gradient accumulation | 4 |
| Effective batch size | 4 |
| Max steps | 1 037 000 |
| Learning rate | 2e-4 |
| Scheduler | cosine |
| Warmup steps | 500 |
| Max grad norm | 1.0 |
| Optimizer | AdamW 8-bit |
| LoRA rank | 16 |
| LoRA alpha | 32 |
| LoRA dropout | 0.05 |
| Compute type | fp16 |
| Unsloth | áno |
| Unsloth gradient checkpointing | áno |
| Validation size | 1000 |
| Eval interval | každých 50 000 krokov |
| Save interval | každých 10 000 krokov |
| Save total limit | 2 |

Použité LoRA cieľové moduly:

```text
q_proj, k_proj, v_proj, o_proj, gate_proj, up_proj, down_proj
```



Konfigurácia počítala približne s jedným prechodom cez celý slovenský Aya subset:

```text
4 148 187 príkladov / effective batch 4 ≈ 1 037 000 krokov
```

## Dôvod manuálneho ukončenia

Tréning technicky nespadol. Po približne 94 000 krokoch sa však začala výrazne zhoršovať stabilita optimalizácie.

V logu sa objavili extrémne hodnoty `grad_norm`, napríklad:

```text
grad_norm = 125.6
grad_norm = 105.9
grad_norm = 24000
grad_norm = 772.1
grad_norm = 11410
grad_norm = 2714
grad_norm = nan
```

Súčasne začal výrazne kolísať aj training loss, napríklad:

```text
loss = 3.232
loss = 7.081
loss = 5.206
loss = 14.82
```

Neskôr sa v logu objavila aj kombinácia:

```text
loss = 0.0
grad_norm = nan
```

Keďže tréning vykazoval známky numerickej nestability, bol manuálne ukončený približne pri kroku `104 238` z plánovaných `1 037 000`, teda približne po 10 % tréningu.

V čase ukončenia bol runtime približne:

```text
44 hodín 48 minút
```

Tento experiment ukázal, že pôvodné nastavenie nebolo vhodné na pokračovanie v takto dlhom tréningu bez ďalších úprav.

---

# Dlhý Aya tréning na serveri Titan

Na serveri Titan bol spustený dlhý LoRA fine-tuning nad slovenskou časťou Aya Collection.

Na rozdiel od prvého QLoRA experimentu nebola použitá 4-bit kvantizácia.

## Hlavná konfigurácia

| Parameter | Hodnota |
|---|---:|
| Base model | `slovak-nlp/mistral-sk-7b` |
| Dataset | Aya Collection – Slovak |
| Fine-tuning | LoRA |
| Unsloth | áno |
| GPU | 2× NVIDIA TITAN RTX |
| Batch size per device | 1 |
| Gradient accumulation | 8 |
| Effective batch size | 16 |
| Max sequence length | 1024 |
| Max steps | 225 000 |
| Learning rate | 5e-5 |
| Scheduler | cosine |
| Warmup steps | 10 000 |
| LoRA rank | 16 |
| LoRA alpha | 16 |
| LoRA dropout | 0.0 |
| Compute type | fp16 |
| Streaming | áno |

Použité LoRA cieľové moduly:

```text
q_proj, k_proj, v_proj, o_proj, gate_proj, up_proj, down_proj
```

Tréning úspešne dobehol do kroku `225000`.

## Eval loss počas Titan tréningu

| Krok | Eval loss |
|---:|---:|
| 25 000 | 1.0599 |
| 50 000 | 1.174 |
| 75 000 | 1.284 |
| 100 000 | 1.429 |
| 125 000 | 1.342 |
| 150 000 | 1.323 |
| 175 000 | 1.321 |
| 200 000 | 1.213 |
| 225 000 | 1.221 |

Najnižší validačný loss bol zaznamenaný pri kroku `25000`. Tento checkpoint bol samostatne zachovaný pre ďalšie benchmarkové porovnanie s finálnym modelom.

---

# Hruška – 10 porovnávacích experimentov

Na serveri Hruška bola vytvorená séria menších experimentov s cieľom porovnať vplyv vybraných hyperparametrov LoRA fine-tuningu.

Cieľom bolo porovnať vplyv:

- learning rate,
- LoRA rank,
- LoRA alpha,
- optimalizátora,
- LoRA target modulov,
- batch size a gradient accumulation.

## Fixný dataset

Pre férové porovnanie všetkých experimentov bol vytvorený fixný dataset:

```text
aya_slovak_100k_fixed.jsonl
```

Dataset obsahuje presne `100 000` slovenských príkladov z Aya Collection.

Pri jeho vytvorení bol použitý fixný seed. Samotné experimenty už nepoužívali streaming, takže všetky konfigurácie pracovali s rovnakým poolom dát.

Dáta boli uložené vo formáte:

```json
{
  "instruction": "...",
  "input": "",
  "output": "..."
}
```

Pri tréningu bolo `1000` príkladov použitých na validáciu.

## Spoločné nastavenia experimentov

| Parameter | Hodnota |
|---|---:|
| Base model | `slovak-nlp/mistral-sk-7b` |
| Dataset | `aya_slovak_100k_fixed` |
| GPU | 2× NVIDIA RTX A4500 |
| Fine-tuning | LoRA |
| Unsloth | áno |
| Streaming | nie |
| Max sequence length | 1024 |
| Max steps | 6250 |
| Effective batch size | 16 |
| Scheduler | cosine |
| Warmup steps | 500 |
| Max grad norm | 0.5 |
| LoRA dropout | 0.0 |
| Compute type | bf16 |
| Eval interval | každých 1250 krokov |
| Validation size | 1000 |
| Seed | 42 |

Štandardné LoRA cieľové moduly:

```text
q_proj, k_proj, v_proj, o_proj, gate_proj, up_proj, down_proj
```

Výnimkou je experiment 08, ktorý používa iba:

```text
q_proj, k_proj, v_proj, o_proj
```

## Porovnávané konfigurácie

| Experiment | Hlavná zmena |
|---|---|
| `01_baseline_r16_a16_lr5e5_adamw` | baseline: rank 16, alpha 16, LR 5e-5, AdamW |
| `02_optimizer_adamw8bit_r16_a16_lr5e5` | AdamW 8-bit |
| `03_rank8_a16_lr5e5` | LoRA rank 8 |
| `04_rank32_a32_lr5e5` | LoRA rank 32, alpha 32 |
| `05_r16_alpha32_lr5e5` | alpha 32 pri rank 16 |
| `06_lr1e4_r16_a16` | learning rate 1e-4 |
| `07_lr2e5_r16_a16` | learning rate 2e-5 |
| `08_attention_only_r16_a16_lr5e5` | LoRA iba na attention projekciách |
| `09_batch2_accum4_r16_a16_lr5e5` | batch size 2, gradient accumulation 4 |
| `10_r16_a32_lr1e4` | kombinácia alpha 32 + learning rate 1e-4 |

## Výsledky Hruška experimentov

| Experiment | Train loss | Eval loss | Runtime |
|---|---:|---:|---:|
| `01_baseline_r16_a16_lr5e5_adamw` | 0.9290 | 0.7567 | 7:18:05 |
| `02_optimizer_adamw8bit_r16_a16_lr5e5` | 0.9248 | 0.7521 | 7:20:23 |
| `03_rank8_a16_lr5e5` | 0.9308 | 0.7586 | 7:16:23 |
| `04_rank32_a32_lr5e5` | 0.9003 | 0.7292 | 7:22:33 |
| `05_r16_alpha32_lr5e5` | 0.9026 | 0.7323 | 7:17:44 |
| `06_lr1e4_r16_a16` | 0.8890 | 0.7184 | 7:17:30 |
| `07_lr2e5_r16_a16` | 0.9674 | 0.7912 | 7:18:25 |
| `08_attention_only_r16_a16_lr5e5` | 0.9808 | 0.8094 | 6:51:25 |
| `09_batch2_accum4_r16_a16_lr5e5` | 0.9290 | 0.7563 | 8:24:57 |
| `10_r16_a32_lr1e4` | 0.8612 | 0.6918 | približne 7:15 h |

Najnižší finálny `eval_loss` dosiahol experiment:

```text
10_r16_a32_lr1e4
```

s hodnotou:

```text
eval_loss = 0.6918
```

V tomto experimente bola použitá kombinácia:

```text
LoRA rank = 16
LoRA alpha = 32
learning rate = 1e-4
optimizer = AdamW
effective batch size = 16
```

## Pozorované rozdiely

Z doterajších výsledkov:

- zvýšenie learning rate z `5e-5` na `1e-4` znížilo eval loss z `0.7567` na `0.7184`,
- zvýšenie LoRA alpha z `16` na `32` pri rank 16 znížilo eval loss na `0.7323`,
- kombinácia `alpha=32` a `learning_rate=1e-4` dosiahla najnižší eval loss `0.6918`,
- rank 32 priniesol eval loss `0.7292`,
- rank 8 dosiahol výsledok veľmi blízky baseline,
- attention-only LoRA bola rýchlejšia, ale mala vyšší eval loss,
- zmena z batch size 1 / accumulation 8 na batch size 2 / accumulation 4 nepriniesla zlepšenie validačného lossu ani runtime.

---

# Súbory Hruška experimentov

Výsledky experimentov sú uložené v priečinku:

```text
hruska_10_experiments_results/
```

Súčasťou sú:

```text
hruska_10_experiments_results/
├── aya_slovak_100k_fixed/
├── hruska_10_experiments_results/
│   ├── 01_baseline_r16_a16_lr5e5_adamw/
│   ├── 02_optimizer_adamw8bit_r16_a16_lr5e5/
│   ├── 03_rank8_a16_lr5e5/
│   ├── 04_rank32_a32_lr5e5/
│   ├── 05_r16_alpha32_lr5e5/
│   ├── 06_lr1e4_r16_a16/
│   ├── 07_lr2e5_r16_a16/
│   ├── 08_attention_only_r16_a16_lr5e5/
│   ├── 09_batch2_accum4_r16_a16_lr5e5/
│   └── 10_r16_a32_lr1e4/
├── hruska_experiment_eval_loss_ranking.png
├── hruska_experiment_train_loss_ranking.png
└── hruska_experiment_summary.csv
```

Každý experiment obsahuje:

```text
<experiment>.yaml
training.log
training_loss.png
training_eval_loss.png
```

---

# Benchmarkovanie Hruška experimentov a Titan modelu

Modely sú následne vyhodnocované pomocou `lm-evaluation-harness`.

Používané benchmarky:

```text
arc_sk
hellaswag_sk
m_mmlu_sk
truthfulqa_sk_mc1
truthfulqa_sk_mc2
sklegal
skquad
```

Na Hruške sú postupne benchmarkované všetky modely z 10 porovnávacích experimentov.

Na Titane sa porovnáva:

- finálny model po 225 000 krokoch,
- zachovaný checkpoint z kroku 25 000.

Výsledky tejto časti budú doplnené po dokončení benchmarkov.