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1 前言
在前一期里，介绍过大语言模型(LLM)幕后核心的注意力(Attention)机制。本期就来继续扩大，介绍大名鼎鼎的转换器(Transformer)模型。其中，要特别阐述：为什么当今主流LLM都采用<仅译码器>(Decoder-Only Transformer)模型。
在 2017 年， 首先在「Attention is All You Need」这篇论文中提出了经典的Transformer架构，它内含编码器(Encoder)和译码器(Decoder)两部分。后来，自从GPT-2之后，整个大趋势逐渐转向<仅译码器>(Decoder-Only Transformer)模型。随着LLM的流行，在其应用于下游任务的微调(Fine-tuning) 过程中，经常会看到<仅译码器>的身影，所以更深刻领会这个大趋势，也更熟悉这个重要机制，对于LLM 的各项应用是很有帮助的。
2 从典型的Transformer架构说起
最初在 2017 年的论文「Attention is All You Need」中介绍，Transformer具有译码器(Decoder)和编码器(Encoder)部分，如图1。
图1这图里的左半部分是编译程序(Encoder)部分，而右半部分是解释器(Decoder)部分。
刚才提到了，当今主流的GPT模型，由于其在文字生成方面的出色性能，LLM大趋势是转向<仅译码器>(Decoder-Only Transformer)模型。这种模型的强大之处在于它们不仅能够模仿类似人类的文本，而且还能够创造性地做出回应。他们可以写故事、回答问题，甚至进行自然流畅的对话。这种功能使它们在广泛的应用中非常有用，从聊天机器人和数字助理到内容创建、抽象总结和讲故事。
如今，这仅译码器架构已经是GPT-3、ChatGPT、GPT-4、PaLM、LaMDa和Falcon等主要语言模型的核心了。它专注于生成新内容，而不是解释或分析所输入的内容( 如文本)。例如，除了能够解析人类文本的涵意，还能够创造性地写故事、回答问题、以及流畅对话等。这种功能对于这些大语言模型(LLM)在广泛应用的效益很大。为什么当今的LLM，主要都采用仅译码器架构呢?其原因，除了可提升训练效率之外，还有在生成任务上，引入编译程序的双向注意力机制并无太多帮助。于是，大趋势就逐渐转向< 仅译码器> 模型。
图2https://cameronrwolfe.substack.com/p/decoder-only-transformers-the-workhorse
3 认识Decoder-Only Transformer架构
刚才已经看到了，上图-1里的右半部分是解释器。所以仅译码器模型的核心架构反而必较简单。它通常是是由多个具有相同结构的区块按顺序堆栈而成的。在每个译码器区块(Decoder Block)都包含两个主要组件：
1）屏蔽多头自注意力(Masked, multi-headed attention)层。这是在前一期里介绍过的注意力机制，它在理解输入序列的涵意方面扮演非常关键的角色。其中的< 屏蔽>的用意是要确保其预测标记(Token) 时，仅专注于当前位置之前产生的标记，而不考虑之后的标记，这样可发挥自回归(Autoregressive)模型的特性和功能。也就是，它很擅长于从句子中前面的单字收集信息，来预测出下一个词的机率估计值( 例如文字接龙)。这是生成式AI的魅力源头。
2）逐位置的前馈网络(Position-wise feed-forward network) 层。这用来引入非线性的变换，协助注意力机制( 纯线性数据变换) 来捕捉更复杂的模式和关系。例如，使用非线性活化函数( 如ReLU 或GeLU 等) 来让模型能够逼近任何函数，以便提供更强的表达能力。它常常放在自注意力层之后，并且添加了有关序列中每个标记的位置的信息，这对于理解单字的顺序至关重要。其用意是在每个序列的位置单独应用一个全连接前馈网络，所以称为：逐位置(Position-wise)方式。
其中，这个模型背后的真正驱动力，即是上述的多头自注意力机制。这种机制允许模型在预测每个标记时专注于输入序列的不同部分，从而促进上下文相关文字的生成。
4 以Gemma的<仅译码器>模型为例
刚才已经介绍了，在每个译码器区块里，都包含两个主要组件：自注意力机制(Attention) 和前馈网络(FFN)。其结构如图2 所示。
其中的归一化層(Layer Normalization)，用來对网络中的每个神经元的输出进行归一化，使得网络中每一层的输出都具有相似的分布。該技術應用於每個子層（自註意力和前饋）之後，可以標準化激活並穩定訓練過程。
此外，还常添加残差连接(Residual Connections) 层，它提供了一條捷徑，允許梯度在反向傳播過程中自由流過網路，可缓解梯度消失和爆炸的问题，并有助于学习更强大的特征，以及提高训练过程的整体易用性和稳定性。
# Gemma 的译码器区块的结构
class RMSNorm(torch.nn.Module):
def __init__(….. ):
#...............................
class GemmaMLP(nn.Module):
def __init__( ….. ):
#...............................
class GemmaAttention(nn.Module):
def __init__( ….. ):
#...............................
class GemmaDecoderLayer(nn.Module):
def __init__( …..):
#...............................
self.self_attn = GemmaAttention(…..)
self.mlp = GemmaMLP(…..)
self.input_layernorm = RMSNorm(…..)
s e l f . p o s t _ a t t e n t ion_ l ayernorm =
RMSNorm(…..)
#...............................
基于上述的译码器区块(Decoder Block)，就可以依据需求的不同，而有多个彼此堆栈的译码器区块，如图3所示。
图3https://cameronrwolfe.substack.com/p/decoder-only-transformers-the-workhorse
这样子，就将多个区块堆栈起来，成为一个仅译码器模型了。各層区块都各负责从输入数据中提取越来越抽象的特征。例如，前几层可能捕捉到局部的相关性，而更深的层可以捕捉更复杂的远程依赖性。这种分层方法讓模型建立输入数据的丰富表示。
其中，各区块里的注意机制，让模型在产生输出时专注于输入序列的各个不同部分。然后，将多层的自注意力协同合作，使模型能够逐步细化这些注意力权重，来提升对输入有更细致和上下文感知更广阔的理解。于是，每个区块在输入数据的分层处理中都发挥其重要的作用，并协同合作，来提升模型掌握复杂依赖关系的能力，来捕捉各种复杂的模式(Pattern)。
例如，在Gemma 的源码中，將译码器区块( 名為：GemmaDecoderLayer) 疊加起來，成為仅译码器模型( 名為：GemmaModel)，如下：
# Gemma 的仅译码器模型结构
#...............................
class GemmaDecoderLayer(nn.Module):
def __init__( …..):
#...............................
self.self_attn = GemmaAttention(…..)
self.mlp = GemmaMLP(…..)
self.input_layernorm = RMSNorm(…..)
s e l f . p o s t _ a t t e n t ion_ l ayernorm =
RMSNorm(…..)
#...............................
class GemmaModel(nn.Module):
def __init__(self, config):
#...............................
self.layers = nn.ModuleList()
for _ in range(config.num_hidden_layers):
self.layers.append( GemmaDecoderLayer(…..) )
#...............................
从这Gemma的源码结构而观之，尽管这些年来，LLM取得了快速的进步，但是其中的核心组成部分仍然保持不变，就是：仅译码器架构。
5 结束语
在仅译码器模型中，拥有多层互相迭加的译码器区块，将输入序列进行分层，透过多层处理来提升从输入序列中学习和泛化的能力。这种深度让模型能处理复杂的依赖关系，然后生成高质量的作品，即是LLM 魅力的源头。
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