LoRA（Low-Rank Adaptation）（ローラ）
大規模言語モデルのファインチューニングを低コストで実現するパラメータ効率的手法。元のモデル重みを凍結し、低ランク行列の積（A×B）を各層に追加して学習する。学習パラメータ数を全体の0.1〜1%に抑えつつ、フルファインチューニングに匹敵する性能を達成。Microsoft Researchが2021年に発表。
LoRAとは
LoRA（Low-Rank Adaptation）は、大規模言語モデル（LLM）のファインチューニングを低コストで実現するパラメータ効率的手法である。Microsoft ResearchのEdward Hu et al.が2021年に発表した。元のモデルの重みを凍結したまま、各Transformer層のAttention/FFN行列に低ランク行列ペア（A×B）を追加して学習する。学習パラメータ数を全体の0.1〜1%に抑えつつ、フルファインチューニングに匹敵する性能を達成する。
動作原理
低ランク分解の仕組み
事前学習済みモデルの重み行列 W₀ ∈ ℝ^{d×k} に対し、更新量 ΔW を低ランク行列の積で近似する:
W = W₀ + ΔW = W₀ + B × A
ここで A ∈ ℝ^{r×k}、B ∈ ℝ^{d×r}。r はランク（通常 4〜64）で、d や k に比べて非常に小さい。
| パラメータ | 説明 | 典型値 |
|---|---|---|
| d | 入力次元 | 4,096（Llama 3 8B） |
| k | 出力次元 | 4,096 |
| r | LoRAランク | 8〜64 |
| α | スケーリング係数 | 16〜32 |
| フルパラメータ数 | d × k | 16,777,216 |
| LoRAパラメータ数 | (d + k) × r | 65,536（r=8の場合） |
| 圧縮率 | 約256倍 |
適用対象レイヤー
LoRAは通常、Transformer層の以下の重み行列に適用する:
- Q（Query）行列: Attention機構のクエリ射影
- K（Key）行列: Attention機構のキー射影
- V（Value）行列: Attention機構のバリュー射影
- O（Output）行列: Attention出力射影
- FFN（Feed-Forward）行列: 中間層の射影（Gate/Up/Down）
全てに適用するか、Q/V のみに適用するかはタスクとVRAM制約で選択する。
フルファインチューニングとの比較
| 項目 | フルファインチューニング | LoRA（r=16） |
|---|---|---|
| 学習パラメータ数（Llama 3 8B） | 80億 | 約3,000万（0.4%） |
| 必要VRAM（8Bモデル） | 約80GB（A100×2） | 約16GB（A100×1） |
| 学習時間（10K samples） | 約8時間 | 約2時間 |
| アダプタファイルサイズ | 16GB（全重み） | 約50MB |
| マージ後の推論速度 | 同等 | 同等（マージ後） |
| 性能（一般タスク） | 100%（基準） | 約95〜100% |
ランク r の選び方
| ランク r | パラメータ数 | 推奨用途 |
|---|---|---|
| 4 | 最小 | 単純なスタイル適応、軽量タスク |
| 8 | 少 | 汎用的なファインチューニング |
| 16 | 中 | ドメイン特化、中規模データセット |
| 32 | 多 | 複雑なタスク、大規模データセット |
| 64 | 最大 | フルファインチューニングに近い品質が必要な場合 |
一般的に r=8〜16 がコストと性能のバランスが良い。r を大きくすると性能は向上するが、VRAMと学習時間も増加する。
主要な派生手法
| 手法 | 年 | 特徴 |
|---|---|---|
| LoRA | 2021 | オリジナル。A×B低ランク行列 |
| QLoRA | 2023 | 4bit量子化 + LoRA。VRAM大幅削減 |
| LoRA+ | 2024 | A/Bに異なる学習率を適用 |
| DoRA | 2024 | 重みを方向と大きさに分解 |
| rsLoRA | 2024 | ランクに応じたスケーリング改善 |
| GaLore | 2024 | 勾配を低ランク射影して省メモリ化 |
実践的なツール
| ツール | 開発元 | 特徴 |
|---|---|---|
| Hugging Face PEFT | Hugging Face | LoRA/QLoRA/AdaLoRA等の統合ライブラリ |
| Unsloth | Unsloth AI | 2〜5倍高速化、メモリ70%削減 |
| Axolotl | OpenAccess AI | YAML設定ベースの簡易ファインチューニング |
| LLaMA-Factory | hiyouga | GUI付きの多手法対応ツール |
| torchtune | Meta | PyTorch公式のLLMファインチューニングツール |
FAQ
Q1: LoRAとフルファインチューニングはどちらを選ぶべきか？
データセットが10万件以下、VRAMが限られている（A100 1枚以下）場合はLoRAが推奨。100万件以上の大規模データセットで最高性能を求める場合はフルファインチューニングが有利だが、コスト差は10倍以上になる。
Q2: LoRAアダプタは複数同時に使える？
可能。異なるタスク向けのLoRAアダプタを動的にロード・切替できる（LoRA Serving）。ベースモデルをメモリに1つ保持し、リクエストに応じてアダプタを差し替えることで、1つのGPUで複数の特化モデルを運用できる。
Q3: 画像生成モデルでのLoRAとLLMでのLoRAは同じ？
原理は同じ低ランク適応だが、適用対象が異なる。Stable DiffusionではU-NetのCross-Attention層に適用し、特定の画風・キャラクターを学習する。LLMではTransformer全層のAttention/FFNに適用する。