Adaptive optimizers such as Adam (Kingma & Ba, 2015) have been central to the success of large language models. However, they maintain additional moving average states throughout training, which results in memory requirements several times greater than the model. This overhead imposes constraints on scalability and computational efficiency. On the other hand, while stochastic gradient descent (SGD) is optimal in terms of memory efficiency, their capability in LLM training is limited (Zhao et al., 2024b). To address this dilemma, we show that pre-processing SGD is sufficient to reach Adam-level performance on LLMs. Specifically, we propose to preprocess the instantaneous stochastic gradients with two simple operators: $\mathtt{GradNorm}$ and $\mathtt{GradWhitening}$. $\mathtt{GradNorm}$ stabilizes gradient distributions, and $\mathtt{GradWhitening}$ counteracts the local curvature of the loss landscape, respectively. This results in SWAN (SGD with Whitening And Normalization), a stochastic optimizer that eliminates the need to store any accumulative state variables. Empirically, SWAN has the same memory footprint as SGD, achieving $\approx 50\%$ reduction on total end-to-end memory compared to Adam. In language modeling tasks, SWAN demonstrates the same or even a substantial improvement over Adam. Specifically, when pre-training the LLaMa model with 350M and 1.3B parameters, SWAN achieves a 2x speedup by reaching the same evaluation perplexity in less than half tokens seen.


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