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📄 論文解説: NV-Embed — LLMをGeneralist Embeddingモデルとして訓練する改良手法

論文概要(Abstract)

本記事はNV-Embed: Improved Techniques for Training LLMs as Generalist Embedding Modelsの解説記事です。

NV-Embedは、NVIDIAが提案したdecoder-only LLM(Mistral-7B)をベースとした汎用テキスト埋め込みモデルである。著者らは、(1) シーケンス表現抽出のためのLatent Attention Layer、(2) contrastive学習時のcausal attention maskの除去、(3) 検索タスクと非検索タスクを段階的に学習する2段階instruction-tuning、(4) positive relevance scoreを考慮したhard negative mining手法を提案している。NV-Embed-v2はMTEB(Massive Text Embedding Benchmark)の56タスクで総合スコア72.31を達成し、2024年8月30日時点でリーダーボード1位を記録したと著者らは報告している(論文Table 1より)。本論文はICLR 2025にSpotlightとして採択されている。

この記事は Zenn記事: 合成データ×Embedding Fine-tuningでセマンティック検索精度を定量改善する の深掘りです。

情報源

  • arXiv ID: 2405.17428
  • URL: https://arxiv.org/abs/2405.17428
  • 著者: Chankyu Lee, Rajarshi Roy, Mengyao Xu, et al.(7名、NVIDIA所属)
  • 発表年: 2024(v1: 2024年5月27日、v3: 2025年2月25日更新)
  • 分野: cs.CL, cs.AI, cs.IR, cs.LG
  • ステータス: ICLR 2025 Spotlight

背景と動機(Background & Motivation)

テキスト埋め込みモデルはセマンティック検索、クラスタリング、分類など多様なNLPタスクの基盤技術である。従来はBERTやT5などのencoder系モデルが主流であったが、LLMのスケーリングに伴い、decoder-only LLMを埋め込みモデルとして活用する研究が進展している。

しかし、decoder-only LLMを埋め込みモデルに転用する際には複数の技術的課題が存在した。第一に、decoder-only LLMはcausal attention maskにより各トークンが後続トークンを参照できないため、双方向的な文脈理解が制限される。第二に、シーケンス全体の表現をどのようにpoolingするかという問題がある。mean poolingや最終トークン(EOS)のembeddingを使う方法が一般的だが、いずれも最適とは限らない。第三に、retrieval、classification、clusteringなど異種タスクを同時に学習すると、タスク間の勾配干渉により性能が低下する問題があった。

著者らはこれらの課題に対し、アーキテクチャ設計・学習手法・データキュレーションの3軸から統合的にアプローチしている。

主要な貢献(Key Contributions)

  • Latent Attention Layer: LLMの最終層hidden statesに対してcross-attentionを適用し、学習可能な潜在ベクトル辞書(512個)を用いてシーケンス表現を抽出する新しいpooling手法。mean poolingやEOSトークン方式を一貫して上回ると報告されている(論文Table 2, 3より)
  • Bidirectional Attention: contrastive学習時にcausal attention maskを除去し、全トークンが双方向に参照可能とすることで表現学習の品質を向上
  • Two-Stage Instruction Tuning: Stage 1でretrievalタスクをin-batch negativesと共に学習し、Stage 2で非retrievalタスク(classification、clustering、STS)をin-batch negativesなしでブレンド学習。タスク間の勾配干渉を回避
  • Hard Negative Mining with Positive Awareness: positiveスコアに基づくマージン閾値を導入し、false negativeの除去精度を改善

技術的詳細(Technical Details)

Latent Attention Layer

Latent Attention Layerは学習可能な潜在ベクトル辞書をKey/Valueとして使用するcross-attention機構である。LLMの最終層hidden states $\mathbf{Q} \in \mathbb{R}^{l \times d}$ をQueryとし、潜在辞書 $\mathbf{D} \in \mathbb{R}^{r \times d}$ をKey/Valueとして計算する。

\[\mathbf{O} = \text{softmax}\left(\frac{\mathbf{Q}\mathbf{D}^T}{\sqrt{d_h}}\right)\mathbf{D}\]

ここで、

  • $\mathbf{Q} \in \mathbb{R}^{l \times d}$: LLM最終層の隠れ状態($l$: シーケンス長、$d$: 隠れ次元)
  • $\mathbf{D} \in \mathbb{R}^{r \times d}$: 学習可能な潜在辞書($r = 512$: 潜在ベクトル数)
  • $d_h$: attention headあたりの次元数

著者らは8ヘッドのmulti-head attentionを使用している。cross-attentionの出力にMLP(linear → GELU → linear)を適用した後、mean poolingで最終的な固定長ベクトルを得る。

mean poolingが全トークンを等重みで平均するのに対し、Latent Attention Layerはタスクに応じた重み付けを学習的に獲得する。

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class LatentAttentionLayer(nn.Module):
    """NV-EmbedのLatent Attention Layer

    Args:
        hidden_dim: LLMのhidden dimension
        num_heads: multi-head attentionのhead数
        num_latents: 潜在辞書のベクトル数
    """

    def __init__(
        self, hidden_dim: int = 4096, num_heads: int = 8, num_latents: int = 512
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.head_dim = hidden_dim // num_heads
        self.latent_dict = nn.Parameter(torch.randn(num_latents, hidden_dim) * 0.02)
        self.mlp = nn.Sequential(
            nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim), nn.GELU(), nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim),
        )

    def forward(self, hidden_states: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        """Cross-attentionによるシーケンス表現の抽出

        Args:
            hidden_states: LLM最終層出力 (batch, seq_len, hidden_dim)

        Returns:
            固定長埋め込みベクトル (batch, hidden_dim)
        """
        bsz, seq_len, dim = hidden_states.shape
        q = hidden_states.view(bsz, seq_len, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
        d = self.latent_dict.unsqueeze(0).expand(bsz, -1, -1)
        d = d.view(bsz, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
        attn = F.softmax(q @ d.transpose(-2, -1) / self.head_dim**0.5, dim=-1)
        out = (attn @ d).transpose(1, 2).contiguous().view(bsz, seq_len, dim)
        return self.mlp(out).mean(dim=1)

Causal Attention Maskの除去

Decoder-only LLMは事前学習時にcausal(左から右への)attention maskを使用するが、contrastive学習ではシーケンス全体の意味表現を獲得することが目的である。著者らはcontrastive学習時にcausal maskを除去し、bidirectional attentionに切り替えることで、全トークンが双方向に情報を参照できるようにしている。

論文のablation(Table 2, 3)によれば、bidirectional attentionはcausal attentionと比較してMTEB全カテゴリで1.5-2.5%程度の改善をもたらしたと報告されている。この改善は直感的にも理解できる。埋め込みタスクではシーケンス全体の意味を捉える必要があり、後続トークンの情報を参照できないcausal maskは不要な制約となるためである。

Two-Stage Instruction Tuning

NV-Embedの学習パイプラインは2段階で構成される。この設計の動機は、retrievalタスクと非retrievalタスク(classification、clustering、STS)の学習ダイナミクスの違いにある。

flowchart TD
    A[Mistral-7B Base Model] --> B[Stage 1: Retrieval Training]
    B --> C[Stage 2: Multi-task Blending]
    C --> D[NV-Embed-v2]
    B -- in-batch negatives有効 --> B1[MSMARCO]
    B -- hard negatives --> B2[HotpotQA / NQ / PAQ]
    B -- 合成データ --> B3[Mixtral生成 120K例]
    C -- in-batch negatives無効 --> C1[Classification 10データセット]
    C -- --> C2[Clustering 6データセット]
    C -- --> C3[STS 3データセット]
    C -- retrieval維持 --> C4[Retrievalデータの一部]

Stage 1: Retrieval-Focused Contrastive Training

Stage 1ではretrievalタスクに特化したcontrastive学習を行う。使用データセットはMSMARCO、HotpotQA、Natural Questions、PAQ、Stack Exchange、NLI、SQuAD、ArguAna、BioASQ、FiQA、FEVER、HoVer、SciFact、NFCorpus、MIRACL、Mr.TyDiなどの公開データセットに加え、Mixtral-8x22Bで生成した合成データ120,000例(short-long 40,000、long-short 40,000、short-short 40,000の3パターン、60,000タスク分)を使用する。

この段階ではin-batch negativesを有効化する。バッチ内の他のpositiveペアをnegativeとして再利用するin-batch negatives手法は、retrieval学習の効率を大幅に向上させる。

Stage 2: Multi-task Blending

Stage 2では非retrievalタスクをブレンドして学習する。分類(AmazonReviews、Banking77、Emotion、IMDB等10データセット)、クラスタリング(arxiv、biorxiv、Reddit等6データセット)、STS(STS12、STS22、STS-Benchmark 3データセット)を追加しつつ、retrievalデータの一部も混合して検索性能の維持を図る。

Stage 2ではin-batch negativesを無効化する。これは非retrievalタスク、特にclassificationやclusteringでは、同一バッチ内に同じクラスのサンプルが含まれる可能性が高く、in-batch negativesがfalse negativeを生成してしまうためである。著者らはこの設計選択を「zigzag gradient updatesの回避」と表現している。

ablation結果(論文Table 4)によれば、2段階学習(72.31)は単一段階学習(in-batch有効: 70.83、in-batch無効: 71.94)および逆順2段階学習(71.85)を上回ったと報告されている。

Hard Negative Mining

Hard negativeにはfalse negative(実際にはpositiveだがnegativeとラベル付けされたサンプル)が混入するリスクがある。著者らはE5-mistral-7b-instructをteacherとし、positive scoreに基づくマージン閾値でfalse negativeを除去する。

\[\text{threshold} = s_{\text{pos}} \times \alpha\]

ここで、

  • $s_{\text{pos}}$: teacherモデルによるpositiveペアの類似度スコア
  • $\alpha$: マージン係数(著者らは$\alpha = 0.95$、TopKPercPosと呼称)

negativeサンプルのスコアがこの閾値を超える場合、false negativeとして除外される。従来の固定閾値と異なり、各queryのpositiveスコアに応じて動的に閾値を設定できるため、false negativeの除去精度が向上すると著者らは報告している。

合成データ生成

Zenn記事「合成データ×Embedding Fine-tuningでセマンティック検索精度を定量改善する」で扱われるテーマと直結する技術として、NV-Embedでは合成データ生成をretrievalデータの拡充に活用している。Mixtral-8x22Bを用いて60,000タスクに対し3パターン(short-long、long-short、short-short)の合成ペアを生成し、計120,000例の合成データを作成している。

ablation結果(論文Table 4, Section 5.3.5)によれば、合成データの追加により、[S2](hard negatives + 追加データセット)のMTEB 72.07 / retrieval 62.28から[S3](+ 合成データ)のMTEB 72.31 / retrieval 62.65へと、特にretrievalスコアで+0.37ポイントの改善が報告されている。この結果は、合成データがretrievalタスクの学習において補完的な役割を果たすことを示唆している。

非Retrievalタスクのラベル戦略

Classification・clusteringの学習では、example-based approach(同一クラスの他の例をpositiveとして使用、16タスク平均69.27)がlabel-based approach(64.80)を大幅に上回ったと報告されている(論文Table 5より)。

実装のポイント(Implementation)

NV-Embedを実際に利用・再現する際の注意点を以下にまとめる。

ベースモデルの選択: NV-Embed-v2はMistral-7Bをベースモデルとして使用している。他のembeddingモデル(E5-mistral等)からの追加fine-tuningではなく、ベースLLMから直接訓練している点が特徴である。これにより、他のembeddingモデルへの依存を排除している。

Attention maskの切り替え: 推論時もbidirectional attentionを使用する必要がある。事前学習済みLLMのattention maskをcontrastive学習開始時に切り替える実装が必要であり、HuggingFace Transformersではattention_maskパラメータの制御で対応できる。

データリーケージの防止: 著者らは評価セットとのデータリーケージを防止するため、BM25閾値ベースのフィルタリングを適用している。学習データが評価ベンチマークと重複しないよう、類似度が閾値を超えるサンプルを除外する処理が不可欠である。

モデル圧縮: SparseGPTによる2:4 pruning + retrainingでMTEB 70.41、INT8量子化で性能劣化0.00%と報告されている(論文Table 6, 8より)。

Instruction template: retrievalではquery側にのみinstructionを付与し、document側には付与しない非対称設計が採用されている。

Production Deployment Guide

NV-Embed-v2(7Bパラメータ)を本番環境でembedding APIとしてデプロイする際のAWS構成パターンを示す。

AWS実装パターン(コスト最適化重視)

NV-Embed-v2は7Bパラメータのモデルであり、推論にはGPUが必要である。INT8量子化を適用した場合、約7GBのGPUメモリで動作する(論文Table 8よりINT8量子化時の性能劣化は0.00%と報告されている)。

構成トラフィックサービス構成月額概算
Small~100 req/日SageMaker Serverless (ml.g5.xlarge) + DynamoDB$80-150
Medium~1,000 req/日ECS Fargate (GPU) + ElastiCache + S3$400-800
Large10,000+ req/日EKS + Spot g5.xlarge + Karpenter$2,500-5,000

注: 上記は2026年7月時点のAWS ap-northeast-1(東京)リージョンの概算値である。実際のコストはトラフィックパターン、バッチサイズ、キャッシュヒット率により変動する。最新料金はAWS料金計算ツールで確認されたい。

コスト削減テクニック:

  • Spot Instances活用: g5.xlargeのSpot価格はオンデマンドの最大70-90%割引
  • INT8量子化: 論文の結果に基づき性能劣化なしでメモリ使用量を半減
  • バッチ推論: 複数リクエストをバッチ化しGPU利用率を向上
  • 埋め込みキャッシュ: 同一テキストの再計算を回避(ElastiCache/DynamoDB)

Terraformインフラコード

Small構成(SageMaker Serverless):

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# NV-Embed-v2 Small構成: SageMaker + DynamoDB
# 月額概算: $80-150(~100 req/日)

resource "aws_sagemaker_model" "nv_embed" {
  name               = "nv-embed-v2-int8"
  execution_role_arn = aws_iam_role.sagemaker.arn  # 最小権限IAMロール
  primary_container {
    image          = "763104351884.dkr.ecr.ap-northeast-1.amazonaws.com/huggingface-pytorch-inference:2.1-transformers4.36-gpu-py310-cu121-ubuntu22.04"
    model_data_url = "s3://${aws_s3_bucket.model.bucket}/nv-embed-v2-int8/model.tar.gz"
    environment = {
      HF_MODEL_ID  = "nvidia/NV-Embed-v2"
      HF_TASK      = "feature-extraction"
      SM_NUM_GPUS  = "1"
      QUANTIZATION = "int8"
    }
  }
}

resource "aws_dynamodb_table" "embedding_cache" {
  name         = "nv-embed-cache"
  billing_mode = "PAY_PER_REQUEST"
  hash_key     = "text_hash"

  attribute {
    name = "text_hash"
    type = "S"
  }

  ttl {
    attribute_name = "expires_at"
    enabled        = true
  }

  server_side_encryption {
    enabled = true  # KMS暗号化
  }
}

# コスト監視アラーム
resource "aws_cloudwatch_metric_alarm" "cost_alert" {
  alarm_name          = "nv-embed-daily-cost"
  comparison_operator = "GreaterThanThreshold"
  evaluation_periods  = 1
  metric_name         = "EstimatedCharges"
  namespace           = "AWS/Billing"
  period              = 86400
  statistic           = "Maximum"
  threshold           = 10  # $10/日超過で通知
  alarm_actions       = [aws_sns_topic.alerts.arn]
}

Large構成(EKS + Karpenter + Spot):

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# NV-Embed-v2 Large構成: EKS + Karpenter
# 月額概算: $2,500-5,000(10,000+ req/日)

module "eks" {
  source  = "terraform-aws-modules/eks/aws"
  version = "~> 20.0"
  cluster_name    = "nv-embed-cluster"
  cluster_version = "1.31"
  vpc_id     = module.vpc.vpc_id
  subnet_ids = module.vpc.private_subnets
  cluster_endpoint_public_access  = false
  cluster_endpoint_private_access = true
}

# Karpenter: Spot優先でGPUノード自動スケーリング
resource "kubectl_manifest" "karpenter_nodepool" {
  yaml_body = yamlencode({
    apiVersion = "karpenter.sh/v1"
    kind       = "NodePool"
    metadata   = { name = "gpu-spot" }
    spec = {
      template.spec = {
        requirements = [
          { key = "karpenter.sh/capacity-type", operator = "In", values = ["spot", "on-demand"] },
          { key = "node.kubernetes.io/instance-type", operator = "In", values = ["g5.xlarge", "g5.2xlarge"] },
        ]
      }
      limits     = { "nvidia.com/gpu" = "8" }
      disruption = { consolidationPolicy = "WhenEmptyOrUnderutilized", consolidateAfter = "30s" }
    }
  })
}

resource "aws_budgets_budget" "monthly" {
  name         = "nv-embed-monthly"
  budget_type  = "COST"
  limit_amount = "5000"
  limit_unit   = "USD"
  time_unit    = "MONTHLY"
  notification {
    comparison_operator        = "GREATER_THAN"
    threshold                  = 80
    threshold_type             = "PERCENTAGE"
    notification_type          = "ACTUAL"
    subscriber_email_addresses = ["ops@example.com"]
  }
}

運用・監視設定

CloudWatch Logs Insights クエリ: stats percentile(latency_ms, 95) as p95, percentile(latency_ms, 99) as p99 by bin(1h) でレイテンシ分析、stats count(*) by bin(1h) | filter req_count > 500 でリクエスト数異常検知を行う。

CloudWatch アラーム: SageMakerのModelLatencyメトリクスに対しP99レイテンシ500ms超過を3評価期間連続で検知した場合にSNS通知を送信する。put_metric_alarmでNamespace AWS/SageMaker、Dimension EndpointNameを指定する。

X-Ray トレーシング: aws_xray_sdkpatch_all()でboto3を自動計装し、各推論リクエストにtext_lengthアノテーションとmodelメタデータを記録する。エンドポイントのinvoke_endpoint呼び出しが自動的にトレースされ、レイテンシボトルネックの特定に活用できる。

Cost Explorer自動レポート: Cost Explorer APIでGetCostAndUsageを日次実行し、SageMaker/EKS/DynamoDBのサービス別コストを抽出する。$100/日超過時にSNS通知を送信する設定を推奨する。

コスト最適化チェックリスト

アーキテクチャ選択:

  • トラフィック量に応じた構成を選択(~100 req/日: Serverless、~1,000: Hybrid、10,000+: Container)
  • GPU要件の確認(NV-Embed-v2はINT8量子化で約7GB VRAM)

リソース最適化:

  • EC2/EKS: Spot Instances優先(g5.xlarge Spotで最大70-90%削減)
  • Reserved Instances: 1年コミットで最大40%削減
  • Savings Plans: Compute Savings Plansの検討
  • SageMaker: Serverless Inferenceの自動スケーリング設定
  • EKS: Karpenterによるアイドル時スケールダウン(consolidateAfter: 30s)

推論コスト削減:

  • INT8量子化の適用(性能劣化なし、メモリ半減)
  • バッチ推論の有効化(複数テキストを一括処理)
  • 埋め込みキャッシュの導入(DynamoDB TTL付き)
  • 2:4 semi-structured pruning検討(MTEB 70.41、retraining後)

監視・アラート:

  • AWS Budgets: 月次予算上限の設定
  • CloudWatch アラーム: レイテンシP99、エラーレート監視
  • Cost Anomaly Detection: 異常コスト検知の有効化
  • 日次コストレポート: Cost Explorer APIによる自動通知

リソース管理:

  • 未使用エンドポイント・クラスタの定期削除
  • タグ戦略: project:nv-embed, env:prod/devの一貫適用
  • S3モデルアーティファクト: ライフサイクルポリシーで旧バージョン自動削除
  • 開発環境: 夜間・休日の自動停止スケジュール設定
  • CloudTrail/AWS Config: 監査ログの有効化

実験結果(Results)

MTEB ベンチマーク

NV-Embed-v2のMTEB 56タスクでの結果を以下に示す(論文Table 1より)。

カテゴリタスク数スコア指標
Retrieval1562.65nDCG@10
Reranking460.65MAP
Clustering1158.46V-Measure
Pair Classification388.67AP
Classification1290.37Accuracy
Semantic Similarity1084.31Spearman
Summarization130.70Spearman
Overall5672.31Average

主要モデルとの比較

論文Table 1に基づく主要モデルとの比較を示す。

モデルMTEB OverallRetrieval差分
NV-Embed-v272.3162.65
SFR-Embedding-2R70.3160.18-2.00 / -2.47
NV-Embed-v169.3259.36-2.99 / -3.29
voyage-large-2-instruct68.28-4.03
GritLM66.76-5.55
E5-mistral-7b66.63-5.68
text-embed-3-large (OpenAI)64.59-7.72

Ablation: データ拡充の段階的効果

論文Table 4, Section 5.3.5で報告されている段階的なデータ拡充の効果を示す。

段階構成MTEBRetrieval
[S0]Base(HNなし、追加データなし)70.7359.22
[S1]+ Hard negatives71.8361.52
[S2]+ 追加データセット72.0762.28
[S3]+ 合成データ72.3162.65

[S0]から[S3]への全体の改善幅はMTEB +1.58、Retrieval +3.43であり、特にhard negatives([S1])の寄与が最も大きいことが確認できる。合成データ([S3])はRetrievalスコアへの寄与(+0.37)が相対的に高い。

実運用への応用(Practical Applications)

NV-Embedの技術は、Zenn記事で扱われている合成データを用いたembedding fine-tuningと密接に関連する。以下に実務での応用を整理する。

セマンティック検索の高精度化: NV-Embed-v2はRetrieval 15タスクでnDCG@10 62.65を達成しており、RAGパイプラインのretrieval段階での利用に適している。特にinstruction-tuningにより、queryに「検索して」「分類して」などのタスク指示を付与することで、同一モデルで多様なタスクに対応できる。

合成データの活用戦略: 論文の結果は、合成データがretrievalスコアを+0.37ポイント改善することを示している。ドメイン固有のデータが不足する場面で、LLMによる合成データ生成(short-long、long-short、short-shortの3パターン)が有効であることを裏付けている。

モデル圧縮によるコスト削減: INT8量子化で性能劣化なし、2:4 semi-structured pruningとretrainingでMTEB 70.41(-1.90)という結果は、7Bモデルのデプロイコストと性能のトレードオフを定量的に示している。レイテンシ要件が厳しい場合はpruning + 量子化の組み合わせが有効である。

スケーリング: INT8量子化により1 GPU(約7GB VRAM)で動作し、g5.xlargeインスタンス(24GB VRAM)でバッチ推論と組み合わせてスループットを向上できる。

関連研究(Related Work)

  • E5-mistral-7b-instruct (Wang et al., 2024): Mistral-7Bベースのinstruction-tuned embeddingモデル。NV-Embedではteacherモデルとしてhard negative miningに使用されている。MTEB 66.63に対しNV-Embed-v2は+5.68ポイントの改善を達成
  • GritLM (Muennighoff et al., 2024): embeddingと生成を統合したモデル。NV-Embedは埋め込み専用とすることで、Latent Attention Layerの導入など専用の最適化が可能となっている
  • SFR-Embedding-2R (Meng et al., 2024): task-homogeneous batchingを採用したembeddingモデル。NV-Embedの2段階学習はこれと対照的に、Stage 2でタスクをブレンドしつつin-batch negativesの有無で制御するアプローチ

まとめと今後の展望

NV-Embedは、Latent Attention Layer、bidirectional attention、2段階instruction-tuning、positive-awareなhard negative miningの4つの技術を統合することで、MTEB 56タスクで総合スコア72.31を達成した。特にretrievalタスクでの62.65(nDCG@10)は、RAGパイプラインへの応用において実用的な性能水準である。

合成データの活用、hard negativeの品質管理、タスク間の勾配干渉の回避といった知見は、embeddingモデルのfine-tuning全般に適用可能である。INT8量子化やsemi-structured pruningによる圧縮結果も、本番デプロイ時のコスト最適化の指針となる。

今後の方向として、より大規模なLLMベースでの検証や多言語対応の強化が考えられる。

参考文献

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