【大模型】7 天 AI 大模型学习

7 天 AI 大模型学习 Day 2

今天是 7 天AI 大模型学习的第二天 😄，今天我将会学习 Transformer 、Encoder-based and Decoder-Based LLMs 等 。如果有感兴趣的，就和我一起开始吧 ～
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前言

今天，我们会学习如下内容：

1. Transformer

• BPE
• Attention
• Layer Normalization
• 输出单词 —— Greedy Decoding / Beam Search
• Label smoothing
• Code for Transformer

2. Encoder-based and Decoder-Based LLMs

• Encoder-based LLM
• Decoder-Based LLM

3. 其他

• 旋转编码 Rotary Position Encoding
• Flash Attention

4. 作业

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BPE —— Byte Pair Encoding Tokenizer

BPE（Byte Pair Encoding） 是一种基于频率的分词（tokenization）算法，最初用于数据压缩，但后来被广泛应用于自然语言处理（NLP）中，尤其是在词汇表构建和子词级别的分词任务中。BPE 的核心思想是通过迭代地合并频率最高的字节对（或字符对），以生成一个新的、更简洁的词汇表，从而优化文本的表示。它通常用于处理语言模型中的稀有词汇和未登录词（OOV，Out-Of-Vocabulary words）问题。
BPE 被广泛应用于现代 NLP 模型中，尤其是神经网络和预训练模型（如 BERT、GPT 等）的训练过程中。例如，GPT-2 和 GPT-3 就是采用了类似 BPE 的子词分词方法来处理输入文本。
BPE 通过减少稀有词汇的数量，并将词汇表限制在较小的规模内，从而提升了模型的训练效率和文本生成能力。

Vocabulary（词汇表)
Vocabulary 是指模型所能理解和使用的所有词汇或符号的集合。在自然语言处理（NLP）中，词汇表通常是指一组所有可能的token（分词单位）。token可以是单词、子词、或者字符，具体取决于采用的分词策略。
词汇表的构建通常是基于一份大型文本数据（corpus），通过统计频率，选择出现次数较多的词汇构建一个有限的词汇集合。词汇表的大小（例如10,000个词、50,000个词等）通常是根据特定任务和计算资源的需求来设定的。
词汇表包含的信息：通常，每个token在词汇表中都有一个唯一的编号，称为词ID，模型可以使用这些ID来表示文本中的各个token。

Tokenization（分词)
Tokenization 是指将原始文本（通常是句子或文档）切分成一系列有意义的tokens（单位），这些token可以是单词、子词或字符。具体的tokenization策略决定了最终文本如何被分解成token。
例如，对于句子 “I love natural language processing”，可能的token化结果有：
基于单词的tokenization：[‘I’, ‘love’, ‘natural’, ‘language’, ‘processing’]
基于子词的tokenization：[‘I’, ‘lov’, ‘e’, ‘natu’, ‘ral’, ‘lan’, ‘guage’, ‘pro’, ‘cessing’]（使用像BPE这样的算法）
基于字符的tokenization：[‘I’, ’ ', ‘l’, ‘o’, ‘v’, ‘e’, ’ ', ‘n’, ‘a’, ‘t’, ‘u’, ‘r’, ‘a’, ‘l’, …]
tokenization 的目的是将原始文本转化为计算机可以处理的、更小的单元。词汇表在这个过程中起着关键作用。

核心

• 根据数据做 tokenize
• Subword Tokenization
• 英语上可以包含 subword ， -est OR -er

构造过程

• 语料库作为输入，从而学习词库

1. 初始化：首先，将输入文本拆分成字符级别的token（符号）。例如，输入句子“low”会被拆分成 [‘l’, ‘o’, ‘w’]。

2. 统计频率：计算文本中所有字符对的出现频率。例如，在句子“low”中，字符对可能是 (l, o) 和 (o, w)。

3. 合并最频繁的字符对：找到出现频率最高的字符对，并将它们合并为一个新的单一符号。例如，如果字符对 (l, o) 是最常见的，就将其合并成一个新的 token (lo)。

4. 重复以上过程：继续合并最频繁的字符对，直到达到预设的词汇表大小或满足其他停止条件。

5. 最终词汇表：合并的结果将形成一个新的词汇表，这个词汇表是由频繁的子词或字符对组成的。

重复上述过程，词库中词越来越多

例：一个简单的 corpus

Corpus（复数形式：Corpora）是指一组有组织的、用于语言学研究或自然语言处理（NLP）任务的文本数据集合。它可以包括任何形式的语言数据，如书籍、文章、对话、网页内容等，通常以原始文本或经过标注的文本形式存在。Corpus 通常用于语言模型的训练、语法分析、词汇统计等任务。

1. er 出现次数最多，将 er merge 为一个新的 token，加入 vocabulary 中

得到 vocabulary 后，根据 vocabulary 做 tokenization 。在处理文本时，使用构建好的词汇表将原始文本转化为token（通常是数字ID），并将每个token映射到词汇表中的一个元素。这是tokenization的核心过程。

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Attention

三种不同的 Attention

基本的 Attention 实现方式

输入 x —— > 内积 WQ WK WV ——> 得到 Q K V 矩阵

• attention score 矩阵
  

def compute_attention_score(Q, K, V, mask, dim):return Q * K^T / dim ^ 1/2 * V

Encoder Self-Attention

• 对每个词都需要计算其他词对它的影响

Decoder Self-Attention

• 对每个词，只能看前一个词对它的影响

Encoder-Decoder Self-Attention

Masked Matrix 如何融合到不同实现中

• M如何定义 ？ 见上文
  
• Padding 的影响
  
• 有 Padding 情况下，mask 矩阵如下

padding 位置为 mask 矩阵值为负无穷

总结三种Attention

—— 微调部分基础

Layer Normalization

作用：

• 归一化
• 数值区间控制
• 稳定学习 stable learn

对每一行做一个 normalize

• 定义
  
• normalize 计算过程

• 最终输出格式
  

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Decoding - output the next word

• 将最后的概率最大的单词输出
  

Greedy Decoding

将概率最大的单词输出

问题：

• 概率最大的不一定是最好的
• 前面的输出会影响后面的输出，如果前面输出错了，对后面影响大

Beam search

Beam Size(3) <= Top 3 —— K = 3

• 不只是考虑最好的一个，而是考虑最好的三个
• 时间复杂度 K^2 * T （length）
  
  —— 通过控制 Decoder 可以进行模型控制 ， 模型优化

Label smoothing

如何计算 loss

什么是Label smoothing

• 希望得到的 y 的预测值就是和真实的 y 一样

• 逆推 会出现数值的 unstable —— 训练的 unstable —— 如何解决
  

• Label smoothing - 让原有的向量不那么极端
  

比较好的代码 ： https://colab.research.google.com/github/harvardnlp/annotated-transformer/blob/master/AnnotatedTransformer.ipynb#scrollTo=9a429510

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Encoder and Decoder Based Models

• 主要还是 Decoder-Based
  

Decoder Only

self-supervised learning

Pretrain & Fine-tune (SFT)

• Fine-tune ： 只计算 output 的 loss
  

Encoder-Based LLM Model：BERT

逻辑：完形填空 ， mask 掉一些单词，让 bert 去填空

模型本身不是为生成问题而生的，所以没有 GPT 时候生成。对一些分类任务效果好。

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Advance Topics

Absolute Position Embedding

问题：随着 m 的增大，位置变化没有规律

Rotary Position Embedding 旋转编码

能刻画出一些相对的位置差异

• 如何计算
  
• 扩展到高纬
  

Flash Attention

优点：

1. 计算快
2. 节省显存
3. 精准注意力

• 减少在 HBM 和 SRAM 中切换到时间
  
  
• 核心思想
  
  每个模块单独处理，减少和显存的操作

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作业

1. 读懂代码，在少量数据上训练 + finetune github.com/karpathy/nanoGPT/tree/master
2. 读懂文章及其开源代码 https://arxiv.org/abs/2309.10305