今天分享一篇博客，介紹語言模型的訓(xùn)練和推理，通俗易懂且抓住本質(zhì)核心，強(qiáng)烈推薦閱讀。

標(biāo)題：Language Model Training and Inference: From Concept to Code
作者：CAMERON R. WOLFE
原文：
https://cameronrwolfe.substack.com/p/language-model-training-and-inference

要理解大語言模型（LLM），首先要理解它的本質(zhì)，無論預(yù)訓(xùn)練、微調(diào)還是在推理階段，核心都是next token prediction，也就是以自回歸的方式從左到右逐步生成文本。

什么是token？

token是指文本中的一個(gè)詞或者子詞，給定一句文本，送入語言模型前首先要做的是對(duì)原始文本進(jìn)行tokenize，也就是把一個(gè)文本序列拆分為離散的token序列

其中，tokenizer是在無標(biāo)簽的語料上訓(xùn)練得到的一個(gè)token數(shù)量固定且唯一的分詞器，這里的token數(shù)量就是大家常說的詞表，也就是語言模型知道的所有tokens。

當(dāng)我們對(duì)文本進(jìn)行分詞后，每個(gè)token可以對(duì)應(yīng)一個(gè)embedding，這也就是語言模型中的embedding層，獲得某個(gè)token的embedding就類似一個(gè)查表的過程

我們知道文本序列是有順序的，而常見的語言模型都是基于注意力機(jī)制的transformer結(jié)構(gòu)，無法自動(dòng)考慮文本的前后順序，因此需要手動(dòng)加上位置編碼，也就是每個(gè)位置有一個(gè)位置embedding，然后和對(duì)應(yīng)位置的token embedding進(jìn)行相加

在模型訓(xùn)練或推理階段大家經(jīng)常會(huì)聽到上下文長度這個(gè)詞，它指的是模型訓(xùn)練時(shí)接收的token訓(xùn)練的最大長度，如果在訓(xùn)練階段只學(xué)習(xí)了一個(gè)較短長度的位置embedding，那模型在推理階段就不能夠適用于較長文本（因?yàn)樗鼪]見過長文本的位置編碼）

語言模型的預(yù)訓(xùn)練

當(dāng)我們有了token embedding和位置embedding后，將它們送入一個(gè)decoder-only的transofrmer模型，它會(huì)在每個(gè)token的位置輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的embedding（可以理解為就像是做了個(gè)特征加工）

有了每個(gè)token的一個(gè)輸出embedding后，我們就可以拿它來做next token prediction了，其實(shí)就是當(dāng)作一個(gè)分類問題來看待：

首先我們把輸出embedding送入一個(gè)線性層，輸出的維度是詞表的大小，就是讓預(yù)測這個(gè)token的下一個(gè)token屬于詞表的“哪一類”

為了將輸出概率歸一化，需要再進(jìn)行一個(gè)softmax變換

訓(xùn)練時(shí)就是最大化這個(gè)概率使得它能夠預(yù)測真實(shí)的下一個(gè)token

推理時(shí)就是從這個(gè)概率分布中采樣下一個(gè)token

訓(xùn)練階段：因?yàn)橛衏ausal自注意力的存在，我們可以一次性對(duì)一整個(gè)句子每個(gè)token進(jìn)行下一個(gè)token的預(yù)測，并計(jì)算所有位置token的loss，因此只需要一forward

推理階段：以自回歸的方式進(jìn)行預(yù)測

每次預(yù)測下一個(gè)token

將預(yù)測的token拼接到當(dāng)前已經(jīng)生成的句子上

再基于拼接后的句子進(jìn)行預(yù)測下一個(gè)token

不斷重復(fù)直到結(jié)束

其中，在預(yù)測下一個(gè)token時(shí)，每次我們都有一個(gè)概率分布用于采樣，根據(jù)不同場景選擇采樣策略會(huì)略有不同，不然有貪婪策略、核采樣、Top-k采樣等，另外經(jīng)常會(huì)看到Temperature這個(gè)概念，它是用來控制生成的隨機(jī)性的，溫度系數(shù)越小越穩(wěn)定。

代碼實(shí)現(xiàn)

下面代碼來自項(xiàng)目https://github.com/karpathy/nanoGPT/tree/master，同樣是一個(gè)很好的項(xiàng)目，推薦初學(xué)者可以看看。

對(duì)于各種基于Transformer的模型，它們都是由很多個(gè)Block堆起來的，每個(gè)Block主要有兩個(gè)部分組成：

Multi-headed Causal Self-Attention

Feed-forward Neural Network結(jié)構(gòu)的示意圖如下：

看圖搭一下單個(gè)Block

然后看下一整個(gè)GPT的結(jié)構(gòu)

主要就是兩個(gè)embedding層（token、位置）、多個(gè)block、一些額外的dropout和LayerNorm層，以及最后用來預(yù)測下一個(gè)token的線性層。說破了就是這么簡單。

這邊還用到了weight tying的技巧，就是最后一層用來分類的線性層的權(quán)重和token embedding層的權(quán)重共享。

接下來重點(diǎn)來關(guān)注一下訓(xùn)練和推理的forward是如何進(jìn)行的，這能幫助大家更好的理解原理。

首先需要構(gòu)建token embedding和位置embedding，把它們疊加起來后過一個(gè)dropout，然后就可以送入transformer的block中了。

需要注意的是經(jīng)過transforemr block后出來的tensor的維度跟之前是一樣的。拿到每個(gè)token位置對(duì)應(yīng)的輸出embedding后，就可以通過最后的先行層進(jìn)行分類，然后用交叉熵?fù)p失來進(jìn)行優(yōu)化。

再看一下完整的過程，其中只需要將輸入左移一個(gè)位置就可以作為target了

接下來看推理階段：

根據(jù)當(dāng)前輸入序列進(jìn)行一次前向傳播

利用溫度系數(shù)對(duì)輸出概率分布進(jìn)行調(diào)整

通過softmax進(jìn)行歸一化

從概率分布進(jìn)行采樣下一個(gè)token

拼接到當(dāng)前句子并再進(jìn)入下一輪循環(huán)