llm的inference(二)

Tokenizer

在使用模型前，都需要将sequence过一遍Tokenizer，进去的是word序列(句子级)，出来的是number序列。事实上，HuggingFace的tokenizer总体上做了三件事情：

1. 分词。将字符串分为一些sub-word token string。再将token string映射到ID，并保留来回映射的mapping。从string映射到ID为tokenizer encode过程，从ID映射回token string 为tokenizer decode过程。映射方法有很多，如BERT用的是WordPiece，GPT-2和RoERTa用的是BPE。
2. 扩展词汇表。部分tokenizer会用一种统一的方法将训练语料中出现的但是词汇表中本来没有的token加入词汇表。
3. 识别并处理特殊token。特殊token包括[MASK]，等。tokenzier会将它们加入词汇表中，并且保证它们在模型中不被切成sub-word，而是完整保留。

分词

从本质来说，文本数据整体上先是文档集合，然后是每一篇文档，然后是每一个段落，然后是每一个句子，然后是每一个短语，然后是每一个词，然后是每一个子词，最后是每一个字符。

不同的分词粒度，会导致分词的结果不同，当然也就影响了网络最终的输出结果。下面我们一一介绍。

1.单词分词法

最直观的分词是单词级分词法。单词分词法将一个word作为最小单元，也就是根据空格或者标点分词。
例如Today is Sunday.使用word-base来进行分词会变成['Today','is','Sunday','.']。这种分词方法简单容易理解，每个word都分配一个ID，则所需要的Vocabulary根据语料大小而不同，而且这种分词方式，会将两个本身意思一致的词分成两个毫不相同的ID，例如：cat，cats。

2.单字符分词法

最细粒度的分词方法是单字符分词法(character-base)。它会穷举所有出现的字符，所以是最完整的。在上面的例子中，单字符分词法会生成['T','o','d','a','y',...,'a','y','.']。
这种分词方式会导致Vocabulary相对小的多，但分词后的每个字符是毫无意义的，而且输出长度变长不少，只有组装后才有意义。这种分词在模型的初始character embedding是毫无意义的。英文中尤为明显，但是中文却是较为合理，中文中用此种方式较多。

3.子词分词法

这是一种最常用的，介于以上两种方法之间的分词方法，我们称为子词分词法。
子词分词法会把上面的句子分成最小可分的子词['To','day','is','S','un','day','.']。子词分词法有很多种取得最小可分子词的方法，例如BPE，WordPiece，SentencePiece，Unigram等等。

BPE(字节对编码，Byte Pair Encoding)

这是目前应用最多的分词方法，GPT以及Llama系列都在使用这种分词方法。具体过程请参考这篇博客。
完成了上述的BPE训练过程，我们就会得到一个词表(vocabulary)，但是如何对输入语句进行编码(也就是BPE分词)呢？

1. 将词表按照其中token的长度，从长到短进行排列；
   例如排序好之后的词表为：

[“errrr</w>”, “tain</w>”, “moun”, “est</w>”, “high”, “the</w>”, “a</w>”]

2. 对输入语句word-level的分词结果进行转化，例如输入语句为：

[“the</w>”, “highest</w>”, “mountain</w>”]

则转化为：

"the</w>" -> ["the</w>"]
"highest</w>" -> ["high", "est</w>"]
"mountain</w>" -> ["moun", "tain</w>"]

注：在编码过程结束后，如果输入语句中仍然有子字符串没被替但是词表中的所有token都已经迭代完毕，则将剩余的子词替换为特殊的token，如< unk >。原则上< unk >这个token出现的越少越好，我们也往往用< unk >的数量来评价一个tokenizer的好坏程度，这个token出现的越少，tokenizer的效果往往越好。

那么如何对网络的输出进行解码呢？将所有的tokens拼在一起即可，例如：

# 网络输出
["the</w>", "high", "est</w>", "moun", "tain</w>"]# 解码序列
"the</w> highest</w> mountain</w>"　

BPE是一种贪婪算法，因为它一直在搜索，知道遇到终止条件才会停止。

WordPiece

WordPiece是BERT使用的分词方法，可以看作是BPE的变种。两者很重要的区别是如何选择两个子词进行合并：WordPiece选择能够提升语言模型概率最大的相邻子词构造词表，但是BPE选择频数最高的相邻子词合并。大致的数学原理请参考这篇博客。

Unigram Language Model(ULM)

ULM与上面的两种分词方法相比，不同之处在于BPE和WordPiece算法的词表都是从小到大变化，属于增量法，而ULM则是减量法，即先初始化一个大词表，根据评估准则不断丢弃词汇，直到满足限定条件。

embedding的本质

我们知道tokenization后就要进行embedding，它的表象是将one-hot的高维向量转为更密集的低维向量的过程，数学上就是对one-hot向量乘以一个矩阵。参考这篇博客，在其中说明了embedding矩阵的本质是什么。在其中指出，Embedding矩阵的本质是一个查找表，由于输入向量是one-hot的，embedding矩阵中有且仅有一行被激活。 博客中作者给出的图如下所示：

对于第一个单词"I"，one-hot编码为[0,0,1,0,0]，将其与embedding矩阵相乘，相当于去除embedding矩阵的第3行(index为2)，其他的同理。每个单词会定位这个表中的每一行，而这一行就是这个单词学习到的在**嵌入空间(低维密集空间)**的语义。

推理时的一些指标

1. First Token Latency(首字延迟)：指的是当一批用户进入推理系统之后，用户完成prefill阶段(有关prefill的内容参考这篇博客)的过程需要花费多长时间，也称为首个词元生成时间(Time To First Token，简称TTFT)。这也是系统生成第一个字符所需要的响应时间，希望用户在系统上输入问题后得到回答的时间小于2~3秒。
2. Throughput(吞吐量)：当系统的负载达到最大的时候，单位时间内，能够执行多少个Decode，即生成多少个字符。
3. 单个输出词元的生成时间(Time Per Output Token，简称TOPT)：为每个用户生成一个输出词元所需要的时间。
4. 时延：系统为用户生成完整相应的总时间。整体 相应时延可使用下面的计算方式：时延=TTFT + TPOT*待生成的词元数。

参考链接

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/360290118
2. https://martinlwx.github.io/zh-cn/the-bpe-tokenizer/
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/631463712
4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/198964217
5. https://www.zhihu.com/question/595001160/answer/3401487634
6. https://zhuanlan.zhihu.com/p/663282469