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大模型交叉研讨课笔记-Transformer架构

news 来源：原创 2025/5/14 9:12:03

概述

Transformer整体的结构非常清晰，就是把输入通过一堆 Encoder 和 Decoder 层“加工”一下，最后得到输出。具体来说：

Encoder： 负责“理解”输入。
它接收原始输入（比如一句中文），通过多层的注意力机制和前馈网络，逐层提取出更深层次的语义信息。
Decoder： 负责“生成”输出。
它一边看 Encoder 提取的信息，一边根据当前已生成的内容，逐步生成最终输出（比如一句英文）。

详细来说就是下面的架构图，红色框是Encoder的架构，蓝色框是Decoder的架构：

Encoder

Encoder主要包含三个方面：Input、Multi-Head Attention、Feed Forward（FFN）。不过大多数时候FFN就是两个两个线性层中间加上激活函数：FFN(x) = Linear(ReLU(Linear(x)))，就不多说了。

Input Processing

这一部分解决的问题是怎么把输入喂给Transformer——BPE+Positional Encoding，也就是两步走：① 把文字变成“词向量”（BPE）；② 告诉模型每个词在句子中的“位置”（PE），最后输入阶段得到的喂给模型的表示为：BPE+PE

BPE：解决“词太多”和“没见过”的问题

自然语言中存在两大难题：

太多词：词表太大，难以训练；
生僻词：没见过的词，模型处理不了。

为了解决这个问题，Transformer 使用了一种叫 Byte Pair Encoding（BPE） 的技术。本质是：

将词拆成更小的“子词”单位，然后学习最常见的组合。

比如：

把 lower, lowest 拆成：low + er, low + est
即使遇到从没见过的词 lowers，也能拆成 low + ers，照样处理！

可以把它理解成一种频繁项合并算法，越常出现的组合，越容易被合成一个整体。

Positional Encoding：告诉模型“词在第几位”

Transformer 是并行的，没有像 RNN 那样天然知道“顺序”，所以我们得手动告诉它每个词的位置。这就是 位置编码（Positional Encoding） 的作用，核心思想：

给每个词的向量加上一段“位置向量”，让模型知道它在句子中的位置。

这个位置向量是通过一套公式计算出来的：

假设我们设定：

embedding 维度 d = 4
我们看两个位置：pos = 0（第一个词）和 pos = 1（第二个词）

对应的PE公式为：

所以不同的位置 pos得到的向量值是完全不同的；而不同维度 i 的值是由不同频率的 sin/cos 控制的。

POS	PE(POS)
0	[sin(0), cos(0), sin(0/100), cos(0/100)] = [0, 1, 0, 1]
1	[sin(1), cos(1), sin(0.01), cos(0.01)] ≈ [0.841, 0.540, 0.01, 0.9999]

这样做的好处：

每个位置都有一个唯一的编码向量；
如果你算 PE(1) - PE(0)，这个差值向量是有规律的，模型可以利用这种规律去理解词之间的相对距离

Multi-Head Self Attention

输入嵌入处理好之后，Transformer 的核心模块就要开始工作了，要理解“Multi-Head Self Attention”首先从Self Attention开始。

Self-Attention：自己关注自己，理解上下文

Self-Attention 的本质是：

让一个词，去关注同一句子中其他所有词，计算它们对自己的“重要性”。

我们从输入向量（比如每个词的 embedding）中，经过三个线性变换（也就是通过三个线性层），得到：

Q（Query）：我要去关注别人
K（Key）：我是被关注的
V（Value）：我携带的信息内容

然后计算 Q 和 K 的相似度，得到每个词对其它词的注意力权重（用 Softmax 归一化），最后用这个权重去加权 V，也就是“从别人那学点有用的东西回来”：

Multi-Head Attention：从多个角度“看世界”

为什么需要多头？

因为一句话中，不同词之间可能存在多种关系，一个注意力头可能只关注其中一个角度。

比如，“The animal didn’t cross the street because it was too tired.”，模型要判断 "it" 指的是 "animal" 还是 "street"，这就需要捕捉不同词之间的语义联系。实现多头也很简单，使用不同的线形层生成多组QKV就好了，每组QKV独立做Self-Attention，最后把所有头的输出concat起来，再过一个线形层整合信息。

Decoder

Decoder 的任务是根据 Encoder 编码过的信息，一步步“翻译”出目标序列（比如生成一句英文句子）。每个 Decoder Layer 主要由两个注意力模块：

Masked Multi-Head Self-Attention（掩码自注意力）
Multi-Head Attention（对 Encoder 输出的注意力）

Masked Multi-Head Self-Attention：防止“偷看未来”

在生成句子的过程中，比如我们要生成一句话“I am happy today”，当 Decoder 已经输出了 “I” 和 “am”，此时模型去预测下一个词（"happy"）时，不应该看到后面还没生成的词（比如 “today”）。所以这一块的重点是：

要保证模型只能基于“已经生成的词”做预测，不能“未卜先知”。

要实现“防偷看”就用到了课程里面提到的“下三角的掩码矩阵”，举个例子：

位置：   0  1  2  3
Mask矩阵：[[1, 0, 0, 0],[1, 1, 0, 0],[1, 1, 1, 0],[1, 1, 1, 1]]

每一行表示第几个词，这个mask矩阵就表示第 t 个位置的词，只能看到 0~t 的内容，不能看未来的位置。

技术上是：对 QK 相乘后的矩阵，给“未来位置”加一个很大的负数（比如 -1e9），经过 softmax 后这些位置权重就接近于 0 了。

Multi-Head Attention：从 Encoder 获取输入信息

其实到这里就已经能实现生成文字了，为什么还需要一个注意力模块呢？因为Masked Self-Attention 只处理“自己已经生成的部分”，但生成新词还需要结合源句子的意思（Encoder 输出）。比如：输入是中文“我很高兴”，Decoder 已经生成了“I am”，那要生成 “happy” 时，必须参考“高兴”这个词对应的 Encoder 信息。

Decoder 的当前输出作为 Query (Q)；
Encoder 的输出作为 Key (K) 和 Value (V)；
做一次标准的 Attention，计算 Decoder 生成词与 Encoder 中所有位置的相关性，然后加权获得信息。

拓展：Vision Transformer

视觉领域的Transformer框架和大语言模型基本相同，变化最大的地方就是Input Processing部分，是由计算机视觉领域针对图片的两个操作：Patch embed 和 Positional Encoding（不变），也就一个是将文本转化成embedding，一个是将图片转化为embedding。