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标题: （五万字深入解析，一篇就够）解锁大语言模子LLM的终极奥秘：从架构解析到 [打印本页]

作者: 钜形不锈钢水箱 时间: 4 天前
标题: （五万字深入解析，一篇就够）解锁大语言模子LLM的终极奥秘：从架构解析到
LLM的根本概念与技术背景

随着人工智能的发展，**大语言模子（LLM，Large Language Model）**已成为天然语言处置惩罚（NLP）领域的核心技术之一。LLM指拥有亿级甚至百亿级参数的大规模神经网络模子，能够在广泛的语言任务中表现出色。要明确LLM的崛起，须要回顾NLP的演进历程以及Transformer架构的引入。
NLP的历史演进与LLM的发展

早期的NLP紧张依赖规则和统计方法。从20世纪50年代的机器翻译尝试到60年代的ELIZA聊天机器人，研究者尝试让机器明确和天生语言。其中，1960年代MIT的Joseph Weizenbaum开发的ELIZA可以看作首个聊天机器人，开启了NLP的探索 (The history, timeline, and future of LLMs)。以后几十年，模式匹配和统计语言模子渐渐鼓起。例如，1990年代盛行 n n n元语法和隐马尔可夫模子，能够通过统计方法对文本进行概率建模。
神经网络的引入为NLP带来了新阶段。1997年提出的长短期记忆网络（LSTM）提拔了模子对长间隔依赖的处置惩罚能力 (The history, timeline, and future of LLMs)。2013年前后，Google提出Word2Vec算法，将单词映射为麋集向量（embedding），捕获语义关系，实现了分布式词表示的突破。这些词向量是静态的，例如“bank”一词无论表示银行还是河岸，其Word2Vec向量都雷同 (Google’s USER-LLM: User Embeddings for Personalizing LLMs, & Why SEOs Should Care (Maybe) - Ethan Lazuk) (Google’s USER-LLM: User Embeddings for Personalizing LLMs, & Why SEOs Should Care (Maybe) - Ethan Lazuk)。不外这为后续动态上下文敏感的表示（如BERT）奠定了根本。
2017年Transformer的出现是革命性时刻。Vaswani等人在论文《Attention Is All You Need》中提出Transformer，彻底改变了序列建模的方法。Transformer基于自留意力机制（self-attention），抛弃了循环网络，实现了并行盘算。它可以在编码器-解码器架构中高效建模长序列关系，捕获单词之间的深层依赖。这一突破标记NLP进入预训练语言模子时代 (The history, timeline, and future of LLMs) (The history, timeline, and future of LLMs)。
Transformer使越来越大的预训练模子成为可能。GPT系列和BERT系列几乎同时诞生：2018年6月OpenAI发布了GPT-1（1.17亿参数） (Timeline and Evolution of NLP Large Language Models: From GPT-1 to Claude 2 and Beyond)，同年10月Google发布了BERT（3.4亿参数） (Timeline and Evolution of NLP Large Language Models: From GPT-1 to Claude 2 and Beyond)。BERT通过双向编码和遮蔽语言模子任务预训练，善于明确上下文语义，被用于问答、分类等明确类任务。GPT则采用单向解码、下一个词猜测的自回归预训练，擅长根据前文天生续写，适用于天生类任务。研究发现，随着参数规模增长，预训练语言模子开始具备零样本和小样本学习能力 ([2005.14165] Language Models are Few-Shot Learners) 。
模子规模的跃升在2019-2020年尤为迅猛：OpenAI在2019年推出GPT-2（15亿参数），比GPT-1大10倍，在天生连贯文本方面首次媲尤物类 (Timeline and Evolution of NLP Large Language Models: From GPT-1 to Claude 2 and Beyond)。2020年GPT-3横空出世，参数到达1750亿，通过提供几个示例即可Few-Shot完成翻译、问答等任务，性能靠近颠末大规模监督微调的模子。GPT-3的成功表明：通用大模子 + 少量提示可以办理多种任务，人类只需设计提示而无需为每个任务训练专门模子。由此掀起了构建更大模子的高潮。
进入通用对话时代：2022年底，基于GPT-3.5的ChatGPT面世，引爆公众视野。借助Instruction Tuning和人类反馈强化学习（RLHF），ChatGPT能够更好地遵照用户指令，进行多轮对话。这使得非技术用户也能通过天然语言与LLM互动，从写作助手到代码天生各方面展示了前所未有的实用性 (The history, timeline, and future of LLMs) (The history, timeline, and future of LLMs)。2023年更是大模子竞相发展的年份：OpenAI发布了多模态的GPT-4，据报道参数目达数万亿级别 (Timeline and Evolution of NLP Large Language Models: From GPT-1 to Claude 2 and Beyond)（具体参数未公开），具备图像识别和更强推理能力，甚至能够通过律师资格考试等标准化测试 (The history, timeline, and future of LLMs)。Google推出了PaLM 2和多模态对话模子Bard；Anthropic发布了夸大安全性的Claude，支持长上下文；Meta开放了LLaMA系列模子权重，催生出丰富的开源衍生模子。可以说，LLM发展一日千里，模子规模、能力和可用性都在不断革新。
Transformer架构解析

Transformer是支撑现代LLM的核心架构，其关键创新在于自留意力机制。与RNN按序处置惩罚差异，Transformer通过自留意力可以并行地建模序列中任意两个位置的依赖。Transformer基本由**编码器（encoder）和解码器（decoder）**堆叠组成（如GPT系列只用解码器堆叠，BERT只用编码器堆叠，T5则编码器-解码器都有）。下面我们解析其紧张组件：

Embedding层：首先，将输入的词转换为向量表示（词嵌入）。Transformer还通过**位置编码（Positional Encoding）**注入序列位置信息，使模子感知词序。
自留意力层（Self-Attention）：这是Transformer的核心。对于输入序列的每个位置，盘算它对序列中其他位置的留意力权重，以捕获关联程度。给定查询矩阵                                           Q                                     Q                      Q、键矩阵                                           K                                     K                      K、值矩阵                                           V                                     V                      V，每个位置的输出是所有值的加权和，权重由查询和键的相似度通过softmax盘算决定。其数学情势为：
                                                Attention                               (                               Q                               ,                               K                               ,                               V                               )                               =                               softmax           ⁣                      (                                                          Q                                                    K                                        T                                                                                           d                                        k                                                                      )                               V                               ,                                        \text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\!\Big(\frac{Q K^T}{\sqrt{d_k}}\Big) V,                         Attention(Q,K,V)=softmax(dk                   QKT)V,
其中                                                       d                               k                                              d_k                      dk是键向量的维度 ([2201.11903] Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models)。留意力机制的含义是：通过点积比较当前词的查询和每个词的键，得到相关性分布，从而聚合上下文信息。Transformer使用多头留意力（Multi-Head Attention），将                                           Q                            ,                            K                            ,                            V                                     Q,K,V                      Q,K,V分成多组头并行盘算留意力，以学习差异关系的信息，然后将各头结果拼接。这提高了模子表达差异语义关系的能力。
前馈网络（Feed-Forward Network）：在留意力层之后，每个编码器/解码器层另有一个逐位置的前馈全连接网络，用于进一步非线性变换。典型设置是两层线性层，中心有ReLU激活，将维度先升高再降回原维度。
残差连接和Layer Norm：每个子层（留意力或前馈）都通过残差连接叠加输入，并进行层归一化，确保梯度稳固和训练收敛。

在编码器-解码器交互中，解码器还对编码器输出执行跨留意力（Encoder-Decoder Attention），让解码器在天生每个词时“关注”源序列的相关部分。解码时通过掩码机制确保模子只能看见以前的输出，避免信息泄露。Transformer的并行化、自留意力使其在长间隔依赖、上下文建模上远超RNN。其深度堆叠的自留意力层可以捕获句法和语义的各种关系，是LLM强大性能的根本 (The history, timeline, and future of LLMs)。
Transformer架构也催生出许多变体和改进。例如，针对长文档的高效留意力（如稀疏留意力、滑动窗口留意力等）提高了长上下文处置惩罚能力。在最新模子中，一些采用ALiBi、RoPE等位置编码来更好扩展上下文长度。而像GPT-4等还融合了多模态编码模块，使图像等非文本输入能够通过适当的编码器接入Transformer架构，从而实现跨模态任务。
总的来说，Transformer提供了一个高度模块化且可扩展的框架。通过不断增长层数和参数目，以及引入更好的训练策略，Transformer架构支撑的LLM展现了惊人的语言明确与天生能力。正如有研究指出，Transformer使得更大的模子带来更优性能成为常态，这推动了参数规模的指数级增长 (The history, timeline, and future of LLMs)。不外，也有研究尝试在架构和训练方式上优化，以更小规模实现高性能，例如DeepMind的RETRO模子通过引入检索机制，性能超过了大25倍的模子 (The history, timeline, and future of LLMs)。这些探索意味着Transformer架构仍有改进空间，为未来LLM的发展指明确方向。
紧张模子的对比分析 (GPT、BERT、T5、LLaMA等)

当前LLM大家族中，有几类具有代表性的模子架构，各有侧重和上风：

GPT系列（Generative Pre-trained Transformer）：代表为GPT-2、GPT-3、GPT-4等，采用仅解码器的Transformer架构，使用自回归语言建模（根据前文猜测下一个词）进行预训练。GPT系列重在文本天生，能够根据提示产生连贯的续写或对话。在微调或强化学习引导下，GPT还可执行摘要、翻译、代码天生等任务。其特点是单向上下文：每个词只能留意之前的词，恰当天生场景，但可能在明确全局上下文时略逊。不外GPT-3通过超大规模和机动的提示设计，展现了惊人的Few-Shot学习能力，在无需梯度更新情况下办理了多种NLP任务。GPT-4进一步引入了图像输入（多模态）并提高了推理能力，例如它能通过多项专业考试 (The history, timeline, and future of LLMs)。GPT系列是典型的天生型LLM，也是现今对话AI的核心。
BERT系列（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）：代表为BERT-base/large、RoBERTa、ALBERT等，采用仅编码器的Transformer架构，预训练任务为掩蔽语言模子（Mask部分词猜测）和下一句猜测等。BERT是双向上下文模子，可以同时使用句子左侧和右侧的上下文来猜测被遮蔽的词，从而学习到高质量的语义表示 (The history, timeline, and future of LLMs) (The history, timeline, and future of LLMs)。BERT非常擅长明确类任务，如句子分类、阅读明确和命名实体识别。现实上在BERT提出后，它敏捷成为各种NLP基准的顶尖模子，并被Google用于搜索引擎明确查询意图 (The history, timeline, and future of LLMs)。BERT的缺点是不能直接用于文本天生（因为没有解码器），须要通过其他策略（如将BERT表示送入单独的天生模块）才能天生文本。总体而言，BERT类模子表现了预训练-微调范式在明确任务上的成功。
T5（Text-to-Text Transfer Transformer）：由Google在2019年提出，采用编码器-解码器布局，将所有任务统一表示为文本到文本的转换。T5在预训练时使用了填空式语言建模（Span Corruption，即随机遮蔽一个文本片段，由模子天生弥补）。这种策略结合了BERT的双向编码能力和GPT的文本天生能力。T5的设计理念是**“文本到文本”统一框架**：无论翻译、摘要还是分类，都转换为给定输入文本让模子输出目标文本。例如，对于分类任务，可让模子输出标签对应的单词。这一统一使T5能够多任务训练，并方便地适配新任务。T5在GLUE等多个基准上取得SOTA效果，同时保存了天生的机动性，是通用性很强的LLM。
LLaMA系列：这是Meta（Facebook）在2023年开放的模子系列（LLaMA 1和LLaMA 2）。LLaMA采用与GPT雷同的解码器Transformer架构，但通过优化训练策略和数据，在较小参数目下到达了靠近更大型号的性能。例如LLaMA 2提供7亿到70亿规模的模子，开放研究社区可以获取权重进行微调。LLaMA的一个庞大影响在于开源生态：研究者基于LLaMA开发了许多微调版本，如Alpaca、Vicuna等，用于聊天、编程等特定领域。这极大地推动了LLM民主化。有报告显示，LLaMA 2 13B的性能与GPT-3 175B相当，而最新的开源模子Mistral 7B更是在多数基准上明显逾越了LLaMA 2的13B模子 (Mistral 7B | Mistral AI) (Mistral 7B | Mistral AI)。这分析通过精心的训练，纵然中等规模的参数也能有卓越表现。LLaMA系列夸大开放、可定制，恰当企业和开发者在自己数据上二次训练，是商用私有部署的热门选择。

除了以上，另有其他类型值得一提：例如Megatron-Turing NLG（5300亿参数，曾是参数最多的模子）等超大模子，UL2这种支持多种预训练任务模式的通用模子，以及各类领域专家模子（如医药领域的BioGPT等）。总体来说，GPT、BERT、T5三类分别代表了天生、明确、以及通用序列到序列三种范式，而开源的LLaMA等模子展示了在资源受限情况下的服从突破。在现实应用中，工程师会根据任务需求选择符合的模子架构：须要自由生发展文本时多选GPT类，须要精确明确文本或提取信息时多用BERT类，而涉及复杂转换（如总结文章）往往T5这类encoder-decoder会更恰当。此外，通过微调，上述模子都能定制到特定任务域中，这也是下节将讨论的重点。
大语言模子的微调与优化方法

预训练的大语言模子具有通用语言能力，但要在特定任务或领域上到达最佳性能，往往须要进行**微调（fine-tuning）或其他参数高效的调整方法。随着模子规模变得极其庞大，传统的完全微调（调治所有参数）变得本钱高昂，业界提出了许多参数高效微调（PEFT）**技术。下面我们具体介绍常见的微调与优化方法，包括LoRA、P-Tuning、Adapter等，并讨论任务定制策略、数据增强和数据清洗等实践。
常见微调技术综述

1. 全参数微调（Full Fine-Tuning）：这是经典做法，即在预训练模子根本上，用少量任务数据对所有模子参数继续训练，使模子适应新任务。这种方法在模子较小（如几千万参数）时可行，但对数十亿参数的LLM来说，每个任务都调治全部参数既耗时又须要巨大的内存和算力 ([2106.09685] LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models)。例如微调一个1750亿参数的GPT-3，不仅GPU显存消耗巨大，部署每个任务专属模子也非常昂贵。因此，全参数微调虽能取得较好效果，但在LLM时代已不太现实，取而代之的是各种参数高效微调手段。
2. Adapter 模块：由Houlsby等人在2019年提出 ([1902.00751] Parameter-Efficient Transfer Learning for NLP)。Adapter是在模子每一层添加一个小型的瓶颈层（通常是先降维再升维的两层MLP），预训练模子的原有权重被冻结不变，仅训练这些新增模块的参数。这样，每个任务只需存储少量Adapter参数，差异任务各自的Adapter模块可以在须要时插入模子。研究表明，Adapter微调在GLUE等基准上几乎不损失性能（仅比全微调差0.4%），却只须要训练增长约3.6%的参数。Adapter的优点是高效且模块化：每个任务的Adapter独立存在，不会干扰根本模子或其他任务。这非常恰当须要支持多任务的场景，因为我们无需为每个任务维护一个完备模子，只需保存任务相关的小模块。Adapter的缺点是引入了推理时的额外前向盘算（虽然模块小，但仍有轻微延迟）。不外相比训练开销的巨大节流，这点开销往往可以接受。
3. LoRA（Low-Rank Adaptation）：这是2021年提出的一种更高效的微调方法。LoRA的思想是：冻结预训练模子权重不变，在每层的权重矩阵中引入低秩的可训练矩阵分解。具体来说，假设原权重矩阵 W W W尺寸为 d × k d \times k d×k，LoRA会引入两个小矩阵 A A A（尺寸 d × r d \times r d×r）和 B B B（尺寸 r × k r \times k r×k），使得现实权重为 W + Δ W W + \Delta W W+ΔW，其中 Δ W = A × B \Delta W = A \times B ΔW=A×B。这里 r r r是远小于 d , k d,k d,k的秩，使得 A , B A,B A,B的参数总数远小于 W W W。训练时只更新 A , B A,B A,B（以及可能的偏置项），其余参数不变。LoRA的效果非常明显：论文中以GPT-3 175B为例，LoRA将须要训练的参数数目减少了10,000倍，GPU显存占用降低3倍，但性能几乎无损，甚至在某些任务上优于全参数微调。紧张的是，相较于Adapter须要在推理时通过新增层盘算，LoRA通过低秩矩阵分解并将 Δ W \Delta W ΔW直接加回权重，对推理几乎没有额外延迟 （因为可将 W + Δ W W+\Delta W W+ΔW归并）。LoRA已在各类LLM任务中广泛应用，使得在消费级GPU上微调百亿模子成为可能。例如，通过LoRA，人们成功在单张GPU上微调出了功能强大的对话模子（如Alpaca等）。LoRA的实现也很简单，闻名的

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