Granite 4.1 LLMs:技术架构解析

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摘要

本文详细介绍了 IBM Granite 4.1 大语言模型的技术架构与训练流程,涵盖预训练、SFT(监督微调)及 RL(强化学习)阶段。文章指出,该 8B 稠密模型在性能上超越了更大的 MoE(混合专家)模型,并提及模型以 Apache 2.0 许可证开源发布。

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Granite 4.1 LLMs: 构建原理

来源:https://huggingface.co/blog/ibm-granite/granite-4-1

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Granite 4.1 LLMs 的数据工程、预训练、监督微调和强化学习深度技术解析。

作者: Granite Team, IBM


TL;DR — Granite 4.1 是一系列稠密、仅解码器的 LLM(3B、8B 和 30B),使用约 15T tokens 通过多阶段预训练流水线训练,支持最长 512K tokens 的长上下文扩展。模型进一步通过约 4.1M 高质量精选样本的监督微调和 on-policy GRPO 配合 DAPO 损失(Yu et al., 2025)的强化学习进行优化。值得注意的是,8B 指令模型尽管采用更简单的稠密架构且参数量更少,却能匹配或超越此前的 Granite 4.0-H-Small(32B-A9B MoE)。所有 Granite 4.1 模型均以 Apache 2.0 许可证发布。

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概述

构建高质量的小语言模型不仅仅是简单地扩展计算量——它需要在整个训练过程中进行严格的数据筛选。对于 Granite 4.1,我们优先考虑数据质量而非数量,在五个预训练阶段中逐步优化数据配比。我们还使用 LLM-as-Judge 框架精选监督微调数据,并应用多阶段强化学习流水线,系统性地提升数学、编程、指令遵循和通用对话等方面的性能。


模型架构

Granite 4.1 模型采用仅解码器的稠密 Transformer 架构。核心设计选择包括分组查询注意力(GQA)、旋转位置编码(RoPE)、SwiGLU 激活函数、RMSNorm 和共享输入/输出嵌入。

组件3B 稠密8B 稠密30B 稠密
嵌入维度256040964096
层数404064
注意力头维度64128128
注意力头数量403232
KV 头数量888
MLP 隐藏层维度81921280032768
MLP 激活函数SwiGLUSwiGLUSwiGLU
位置编码RoPERoPERoPE

三种模型尺寸共享相同的训练流水线和数据策略,仅在架构维度上有所不同。


预训练

Granite 4.1 从头开始训练,使用约 15 万亿 tokens,采用五阶段训练策略。阶段 1-2 侧重于基础预训练,阶段 3-4 进行渐进式高质量数据退火的中期训练,阶段 5 引入长上下文训练,将上下文窗口扩展至 512K tokens。每个阶段采用不同的数据配比和学习率调度,逐步从广泛的网络规模数据转向更精选的领域特定内容。

五阶段预训练流水线

图 2: 五阶段预训练流水线。阶段 1-2 为预训练,阶段 3-4 为中期训练(高质量数据退火),阶段 5 为长上下文训练(LCE)。

阶段 1:通用预训练(10T tokens)

第一阶段使用通用训练数据混合建立广泛的语言理解能力,采用幂律学习率调度和预热。

数据组成:

  • CommonCrawl ~59% — 通用网络数据
  • 代码 ~20% — 编程语言和代码仓库
  • 数学 ~7% — 数学推理数据
  • 技术 ~10.5% — 科学论文、技术文档和手册
  • 多语言 ~2% — 非英语语言数据
  • 领域特定 ~1.5% — 领域特定内容

阶段 2:数学/代码预训练(2T tokens)

第二阶段大幅提高代码和数学数据的比例,转向更强的推理能力,同时保持通用语言覆盖。

数据组成:

  • 数学 ~35% — 较阶段 1 增加 5 倍
  • 代码 ~30% — 较阶段 1 增加 1.5 倍
  • CommonCrawl-HQ ~12% — 高质量 CommonCrawl 子集
  • 合成数据 ~9% — 合成高质量数据
  • 技术 ~10%
  • 多语言 ~3%
  • 领域 ~1%

阶段 3:高质量数据退火(2T tokens)

第三阶段进入中期训练,采用更均衡的高质量混合数据和指数衰减学习率调度。此时开始混入思维链和合成指令数据。

数据组成:

  • CommonCrawl-HQ ~16.67%
  • 数学 ~16.67%
  • 代码 ~16.67%
  • 合成数据 ~8.5%
  • 技术 ~12.5%
  • 多语言 ~4.5%
  • 长思维链 ~12.5% — 推理轨迹
  • 语言指令 ~7.5% — 指令微调数据
  • 代码指令 ~4.5% — 指令微调数据

阶段 4:高质量数据退火——精炼(0.5T tokens)

第四阶段继续中期训练,采用线性学习率衰减至零,使模型聚焦于最高质量的数据。

数据组成:

  • CommonCrawl-HQ ~40%
  • 代码 ~20%
  • 数学 ~20%
  • 长思维链 ~6%
  • 代码指令 ~5%
  • 语言指令 ~9%

预训练阶段数据配比演变

图 3: 预训练阶段数据配比的演变。注意从网络数据为主(阶段 1)到高质量数据为主并包含指令和推理数据(阶段 3-4)的渐进转变。

阶段 5:长上下文训练(LCE)

第五也是最后一个阶段,同样属于中期训练,通过分阶段长上下文扩展将上下文窗口从 4K 扩展至 512K:

  1. 32K 扩展 — 使用与阶段 4 相同的数据配比
  2. 128K 扩展 — 与阶段 4 相同的数据配比
  3. 512K 扩展 — 80% 书籍 + 20% 代码仓库数据(仅 8B 和 30B)

LCE 阶段使用指数学习率调度,从 1e-4 衰减至 0。为确保模型原生处理长序列而不损害短上下文性能,我们在每个 LCE 阶段后进行模型合并。

基础模型 RULER 基准测试:

模型名称32K64K128K
granite-4.1-3b-base75.066.658.0
granite-4.1-8b-base83.679.173.0
granite-4.1-30b-base85.284.676.7

SFT:数据准备与质量控制

监督微调(SFT)是将基础模型转变为可靠的指令遵循助手的关键,因此数据质量至关重要——因为即使少量不正确或幻觉的样本也会植入不良行为。为此,我们应用严格的 LLM-as-Judge 框架和基于规则的过滤来精选高质量样本。该流水线自动从结构、语义和行为标准评估每个样本,尽可能修复问题并过滤掉不符合质量标准的样本。

SFT 数据质量流水线

图 4: SFT 数据质量流水线。原始对话数据通过 LLM-as-Judge 及其多维评分标准,产生通过/边缘/拒绝的裁决。硬性拒绝缺陷(幻觉、错误前提、错误计算)无论分数如何都会触发自动拒绝。

我们严格的 LLM-as-Judge 框架仅评估助手回复,将系统提示、用户输入、检索文档和工具输出严格视为上下文信息。这确保评判的是模型的输出内容,而非被要求执行的任务。在 RAG 场景中,未基于检索上下文生成的回复被标记为幻觉,而工具使用输出则根据允许的工具集合及其参数模式进行验证。

我们采用针对不同 SFT 数据类型定制的专用评判提示,包括多轮对话、RAG 增强回复、工具调用交互和多语言对话。每个回复在六个加权维度上进行评分——指令遵循、正确性、完整性、简洁性、自然度和校准(可选批判性思维检查)。样本根据确定性分数阈值被接受、标记为边缘或拒绝,硬性拒绝规则会覆盖严重缺陷(如幻觉、错误前提或错误计算)的分数。

为补充语义评估,我们应用确定性规则流水线,通过文本规范化、截断和长度过滤、模式验证和泄漏检测来强制结构完整性。最终的全局去重步骤确保数据集范围内的唯一性。所有过滤和修正操作均可完全审计。

SFT 训练细节

通过 LLM-as-Judge、基于规则的过滤和全局去重流水线后,我们在约 4.1 百万 高质量样本上微调基础模型。以下细节适用于三种模型变体:

训练配置:

参数数值
计算资源16 节点,每节点 4x GB200
轮数3
学习率5e-6(线性预热 3%,线性衰减约 25K 步)
序列长度16,384 tokens
总样本数~4.1M
有效 batch size256 样本/迭代(~4.2M tokens/迭代)

强化学习:多阶段 RL 流水线

SFT 之后,我们应用多阶段强化学习流水线,进一步提升模型在特定领域的能力。不同于单次 RL 训练,我们运行多个针对性的 RL 阶段,每个阶段优化不同的能力。

训练方法

我们使用 On-policy GRPO(分组相对策略优化)(Shao et al., 2024)配合 DAPO(解耦裁剪和动态采样策略优化)损失(Yu et al., 2025),相比标准 GRPO 提供更稳定的训练信号。然而,由于动态采样的计算密集型特性,我们在训练期间将其关闭。

RL 训练配置

参数数值
算法On-policy GRPO with DAPO loss
训练栈SkyRL(NovaSky-AI, 2025)
每提示样本数16
训练 batch size1024
上下文长度8,192

RL 流水线

图 10 展示了 Granite 4.1 模型的强化学习流水线。通过对多种强化学习方案的大量实验,我们发现这一步骤序列能最小化灾难性遗忘,同时最大化跨领域性能。

Granite 4.1 强化学习流水线

图 10: Granite 4.1 强化学习流水线,包含四个顺序阶段:多领域 RL、RLHF、身份和知识校准 RL,以及数学 RL。

多领域 RL

在此阶段,模型在来自多个领域的统一数据混合上联合训练。因此,每次梯度更新都反映任务的完整多样性,防止灾难性遗忘,提升整体基准性能,并最小化任何单一任务的性能退化。

该阶段涵盖的不同领域包括:

领域描述
数学数学推理和计算
科学科学知识和推理
逻辑推理演绎和归纳逻辑
指令遵循(IF)遵循复杂指令
结构化输出结构化数据输出
Text2SQL数据库查询生成
时序推理基于时间的逻辑和排序
通用对话通用对话质量
上下文学习从上下文示例中学习

在此阶段,我们使用 45,504 个独特提示训练模型(所有 Granite 4.1 模型的平均值),并 fo

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基于 Granite 4.2 3B 构建的 3.66B 形式逻辑模型 · Hugging Face

Reddit r/LocalLLaMA

webAI 发布了 TwIL LM3 Pro,一个基于 IBM Granite 4.2 3B、仅针对形式逻辑(如前提蕴含判断、规则归纳、Lean 证明批判)微调的 3.66B 模型,在逻辑复合基准上以不到一半的参数量追平 Qwen3-8B,并提供可在 CPU/4GB 显存上运行的 GGUF 量化版本。