Transformer

Transformer内部结构

整个 NLP 的发展，中间还经历很多很多重要的阶段，例如：

1. 神经概率语言模型
2. 卷积神经网络模型
3. 循环神经网络以及长短期记忆网络

再到目前最为流行的 Transformer 架构。

输入和输出

将 LLM 看作是一个黑盒：

输入称之为提示词（prompt）

在使用模型的时候，模型并不是一次性生成所有的文本，而是一次生成一个词元，如下图所示：

模型在生成每一个新词元时，都会基于当前的输入序列进行一次 前向传播（Forward Propagatio）。

🙋 什么是前向传播？

所谓前向传播，是指在神经网络中，从输入层开始，数据依次通过每一层神经元的计算，最终产生输出的过程。

具体步骤：

1. 输入嵌入
2. 多个神经网络层处理
3. 输出一个分布，就是所有词元的一个概率
4. 选一个词生成出来

而新生成的词元会被追加到输入序列的末尾，作为下一步生成的提示词上下文，从而逐步影响整个输出。

在机器学习中，有一个专门的词用来描述这种使用早期预测来进行后续预测的模型，称之为 自回归模型。

Transformer模型就是一个自回归模型。

LLM内部结构

整体来讲分成四大块：

1. 分词器
2. 嵌入层
3. 堆叠的Transformer块
4. 语言建模头

分词器

模型的第一步是将自然语言输入送入分词器（Tokenizer），将其转换为词元 ID（token IDs）。例如：

“我今天很开心”

分词：

['我', '今天', '很', '开', '心']

映射为词表中的 ID：

[1, 354, 2764, 77, 199]

嵌入层

在分词器将文本转换为词元 ID 之后，这些整数 ID 本身并不能直接用于神经网络计算。此时，需要通过嵌入层将每个 ID 映射为一个向量，形成模型的输入表示。

例如前面得到的词元 ID 列表：

[1, 354, 2764, 77, 199]

通过嵌入层处理后，得到的嵌入向量：

[
 [0.12, -0.87, ...,  0.34],   # 对应 token 1
 [0.02,  0.45, ..., -0.11],   # 对应 token 354
 ...
 [0.76, -0.01, ...,  0.08]    # 对应 token 199
]

每个词元 ID 都会被映射为一个固定维度的向量（例如 768 维或 4096 维），这些向量是模型可学习的参数，在训练过程中会被不断优化。

堆叠的Transformer层

Stacked Transformer Blocks，中文译作“堆叠的Transformer块”，这些 Transformer 块是 LLM 的核心模块，也是模型理解上下文、捕捉语言结构和语义关系的关键所在。

每个 Transformer 块内部包含两个主要子模块：

1. 自注意力机制（Self-Attention）：让每一个词元可以“看见”它前面的所有词元，从而理解上下文。

   例如：

   “我 今天 很 开心”
    ↑   ↑  ↑   ↑
   每个词元都能关注到前面的词元（因自回归模型只看左边）

   • 比如模型在预测“开心”时，会去关注“我”、“今天”、“很”这些词，理解语义关系。
   • 注意力机制会为不同词元分配不同的权重。

2. 前馈网络（Feed-Forward Network）：对每个位置上的词元向量单独做非线性变换，提高模型表达能力。

🙋为什么称之为堆叠呢？

因为 Transformer 块并非一层，而是有多层：

Transformer块1 → Transformer块2 → Transformer块3 → Transformer块4 → ...

每一层都会接收上一层的输出，并进一步处理。

层数越多，大模型就越能够捕捉高层次、复杂的语言结构，也就是说，对输入的文本理解得越准确。

下表是主流大模型的层数对比：

模型名称	参数规模	Transformer 层数	备注
GPT-2 (small)	117M	12	OpenAI
GPT-3	175B	96	OpenAI
GPT-4 (推测)	~200B+	96–128（估计）	可能为 MoE 架构
Claude 2	~100B+	~80–100（推测）	Anthropic，未公开完整细节
Claude 3 Opus	未知	~128（推测）	有极强编码能力，多模态支持
PaLM 2	340B	120	Google
Gemini 1.5 Pro	推测 >100B	未知	多模态，长上下文（>1M tokens）
LLaMA 2 (7B)	7B	32	Meta，小模型中非常高效
LLaMA 2 (70B)	70B	80	Meta
Mistral (7B)	7B	32	Dense 模型，训练非常高效
Mixtral (MoE)	12.9B act.	32	激活 2/8 experts（MoE 架构）

语言建模头

经过多层 Transformer 块处理后，我们会得到每一个位置上的一个高维向量表示。这些向量已经融合了上下文语义信息，接下来需要通过语言建模头（Language Modeling Head）将这些向量转换为我们最终关心的输出：预测下一个词元。

在自回归生成中，只用最后一个词元位置上的向量来预测下一个词。

[
  [0.12, -0.87, ...,  0.34],   ← 代表“我”
  [0.45,  0.10, ..., -0.77],   ← 代表“今天”
  [-0.22, 0.63, ...,  1.02]    ← 代表“很”
]

🙋 为什么只用最后一个词？

回答：Transformer 是一个上下文感知的结构。当我们输入“我今天很”，并经过多层 Transformer 处理后，虽然我们只取了最后一个词“很”对应的向量，但这个向量已经不是孤立的“很”了，它已经通过自注意力机制，融合了前面所有词元的信息，即“我”、“今天”、“很”的上下文。

工作流程

假设有一个词表（语料库）大小为 V = 50,000，Transformer 输出的每个向量是 d = 768 维，那么，语言建模头就是一个维度为：

[768 × 50000]

的线性变换矩阵，这个矩阵是语言建模头的核心参数，也是参数量最多的一层之一。这里我们把这个矩阵命名为 W。

接下来下一步是针对 词表 里面的每一个词元（50000）进行打分，大致的计算公式如下：

logits（最终的得分） = z（最后一个词元的向量） · W（线性矩阵）

• z：Transformer 所输出的最后一个词元的嵌入向量，长度为 768
• W：上面所提到的线性变换矩阵

经过计算后，会得到一个 50000 维的向量数组。这个 50000 维的向量数组里面的每一个值就是词表中词元的得分。

这个分数仅仅是一个未归一化的分数，所谓未归一化，就是指这些分数可以是任何实数（正的、负的、不限制范围），它们还不是概率，还不能直接表示“可能性”。例如假设我们的词表只有 5 个词，这里就能得到词表中每个词元的分数

词元	logits 值
开心	4.2
累	2.7
忙	1.5
昨天	-1.2
小狗	-3.5

最后一步是经过 softmax 转换，目的是将分数转换为概率分布，计算公式如下： $$ \text{softmax}(logits_i) = \frac{e^{logits_i}}{\sum_{j=1}^{n} e^{logits_j}} $$ 整个 softmax 接收上一步拿到的 logits，然后做了两件事：

1. 先对每个值取指数（确保变成正数）
2. 再除以总和（确保总和为 1）

最终，语言建模头工作流程大致如下：

z = Transformer_output[-1]  # 取最后一个向量
logits = z · W              # [0.1, 0.3, -1.5, 2.6, ...]
probs = softmax(logits)     # [0.01, 0.02, 0.00001, 0.85, ...]

完整流程

假设当前输入的是一句未完成的话：

我今天很

目标是让大语言模型预测下一个最可能的词元。

整体流程：

1. 分词器处理

["我", "今天", "很"]

[1, 354, 2764]

2. 嵌入层处理

每个词元 ID 会被映射为高维度向量

“我”     → [0.12, -0.87, ..., 0.34]  
“今天”   → [-0.11, 0.45, ..., 0.90]  
“很”     → [0.20, 0.14, ..., -0.06]

嵌入向量会形成一个二维数组，维度是 [3, 768]。

3. Transformer块处理

经过多层 Transformer 块处理之后，得到的仍然是一个维度为 [3, 768] 的向量数组.

我们只取最后一个

z = [0.12, -0.45, ..., 0.33]  ← 长度为 768

虽然这个 z 只是 “很” 这个词元所对应的向量，但是融入了前面词元的意思

4. 语言建模头计算 logits

假设语料库里面的词元数量为 50000

logits = z × W  →  得到一个 [1 × 50000] 的向量

logits = [0.9, -1.3, 2.1, ..., 5.7]   ← 长度为 50000

5. softmax 归一化为概率

{
  开心: 0.61,
  累: 0.12,
  忙: 0.08,
  郁闷: 0.04,
  美丽: 0.02,
  ...
}

Transformer块

整个大语言模型就是由一系列 Transformer 块组成的。每个块处理其输入，然后将处理结果传递给下一块。

在原始的 Transformer 论文中约为 6 块，现在许多 LLM 中已经超过 100 个了。

!Transformer块

每个 Transformer 块由以下两首首尾相接的组件构成：

1. 自注意力层
2. 前馈神经网络层

!Transformer块

自注意力层

注意力机制帮助模型在处理特定词元的时候 整合上下文信息。

狗追猫，因为它

为了预测“它”之后的内容，模型需要知道“它”指代的是什么，是“狗”还是“猫” ？

注意力机制会将上下文信息添加到“它”这个词元的表示中。

!Transformer块

1. 自注意力工作原理

注意力机制会为“它”这个词元计算它与句子中所有其他词元的关联程度。

• 它会算出“它”和“狗”有多相关
• “它”和“猫”有多相关
• 甚至“它”和“追”“因为”等词之间的关系

这些相关性通过一个叫做“注意力权重”的分数来表示，相关性越高，注意力分数越大。

下图是另外一段英文提示词文本

The cat sat on the mat

在自注意力层所生成的权重矩阵图： !权重矩阵图

• 横轴（Key）：表示被关注的词，即“被看的对象”；

• 纵轴（Query）：表示当前在处理的词，即“正在看别人的词”；

• 单元格中的值：表示 Query 对应的词对 Key 的关注程度（注意力权重），数值越大，颜色越深。

图中 sat → The 的注意力值是 0.23，意味着在处理 “sat” 这个词时，模型“最关注”的词之一是 “The”；cat → on 的注意力值是 0.21，表示 “cat” 在编码时也部分关注了 “on”。

回到我们上面“狗追猫”的例子，假设注意力机制得出以下权重：

"它" 对每个词的注意力权重：
狗：0.3
猫：0.6
其他词：0.1

模型“认为”——“它”更可能指的是“猫”。

那么模型可能就会生成诸如“它吓倒了狗”的后续内容。

核心：当前词会去关注其它词，并且根据相关性分配权重，从而形成更有语境感知的一个表达。

2. 多头注意力

所谓多头注意力，指的是模型不只使用一个注意力机制去“看”上下文，而是使用多个注意力头（head），每个从不同的角度并行地关注输入中的不同部分。

一个注意力头只关注一套特定的关系（比如“它”和“狗、猫”之间的关系），但现实语言中的语义很复杂：

• 有的头可能专注于语法（主语-动词关系）；
• 有的头可能关注指代（“它”指代谁）；
• 有的头可能关注情感、时间顺序等……

多头注意力可以让模型从多个“子空间”中提取信息，从而提升理解力和泛化能力。

例如：

狗追猫，因为它

假设有三个注意力头，它们分别学习到了不同的关注模式：

• Head 1：指代消解视角 —— “它”主要关注“猫”，注意力权重为：猫 0.6，狗 0.3，其它词 0.1；
• Head 2：句法结构视角 —— “它”关注“追”这个动词，理解句子动作逻辑；在这个头中，“追”的相关性得分最高
• Head 3：逻辑关系视角 —— “它”关注“因为”，模型试图理解因果结构。在这个头中，“因为”的相关性得分最高

这些注意力头会各自生成一份“它”的表示，最后再把这些表示合并起来，形成一个更加丰富、综合的向量。这个向量同时融合了：

• 谁是“它”可能指代的对象，
• “它”参与了什么样的动作，
• “它”在语义上处于怎样的逻辑位置。
• .....

“它”所对应的向量的含义背后的语义就非常丰富了。这也是为什么前面说 LLM 只需要取最后一个词元来预测下一个词。

这就像一个小型“专家团队”，每个注意力头都是一个“专家”，专门从某种语言视角来理解当前词元。最终，它们的意见会被整合，让模型拥有更全面的判断力。

前馈神经网络层

自注意力机制让每个词元在上下文中“看别人”，整合其他词的信息。但仅靠这些信息还不够，Transformer 还需要进一步让每个词自己思考、提炼、变换。这个任务，就交给了前馈神经网络层（Feed Forward Neural Network，简称 FFN）。

前馈神经网络的特别之处在于：它不会“看别人”，只处理自己。

🙋怎么处理？

它是对每一个词元单独做的一次变换处理。你可以理解为：自注意力层结束后，每个词元都从“他人”那里学到了不少内容；接下来轮到它自己好好消化一遍。

🙋如何消化？

其实就是把词元当前的表示向量送入一个小型的神经网络中，通常会包含两层线性变换和一个非线性激活函数，流程如下：

输入 → 线性变换（升维） → 激活函数 → 线性变换（降维） → 输出

再具体一点的话，这一过程可以用公式表示为： $$ FFN(x)=GELU(xW1+b1)W2+b2 $$ 其中 GELU 是一种激活函数，负责加入“非线性思考能力”。

例如：

狗追猫，因为它

在经过自注意力机制之后，“它”这个词已经看向了上下文，并初步融合了来自“猫”“狗”等词的语义信息。

但是，这样的表示只是“初加工品”。模型还需要进一步处理它，让它具备更强的语义表达能力和推理能力。这时，“它”的向量就会被送入前馈网络中：

• 前馈层会先把这个向量升维到一个更高维度（比如从 768 维扩展到 3072 维）；
• 接着，经过 GELU 激活函数进行非线性处理；
• 然后再降维回原来的大小，形成一个新的、更复杂的向量表示。

这个新表示就是“它”这个词元的升级版本，里面包含了模型对“它”这个词更深层的理解，可以帮助模型提取出更适合判断行为、情感、逻辑的语义特征。最终形成的向量将送入下一层 Transformer，继续处理。

因此，前馈层也是非常重要的一层，看起来只是“对每个词做了一遍变换”，但它非常关键。如果 Transformer 只有注意力层没有前馈层，那它就像是一个只会模仿别人的人，不会自己总结、推理和表达。如果说自注意力阶段是“看外部世界”，那么前馈网络阶段就是“闭上眼睛思考自己”。

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