【大语言模型入门】—— 浅析LLM基座—Transformer原理

解密GPT核心技术：Transformer架构深度解析

被反复强调的核心概念意味着什么？

在各类技术文档中，我们总能看到这样的描述：

“GPT-3作为生成式语言模型的代表，具备1750亿参数规模，基于Transformer架构，通过海量无监督学习掌握语言统计规律与语义表示能力，可支持文本生成、分类、问答等多种NLP任务…”

这些高频出现的概念并非偶然，它们实际上构成了现代大语言模型的技术支柱。理解这些概念的价值在于：

• 参数规模：模型容量与能力的物理载体
• Transformer：当代大模型的底层架构范式
• 无监督学习：突破标注数据瓶颈的关键方法
• 语义表示：模型智能的本质体现

GPT预测机制解析：从Next Token Prediction到任务推理

核心机制的本质

GPT的核心预测原理可以表述为：

给定输入文本序列，模型通过计算所有可能候选token的概率分布，选择最可能成为下一个token的预测结果。

案例驱动的机制解析

以翻译任务为例：

输入："翻译：今天天气真好"
输出："The weather is nice today"

解构策略：分层突破法

嘿，小伙伴们！想一下子把Transformer搞得明明白白？那可太难啦，简直比在迷宫里找到出口还难！不过别怕，我这有妙招。咱们先不急着一头扎进Transformer的核心地带，就像当年“农村包围城市”一样，先从外围入手。先来剖析一个经典概率模型，把那些重要的外围辅助概念，像输入、输出、词表这些家伙先搞清楚。这些概念在Transformer里可是通用的，理解了它们，再去攻克Transformer里那三个最核心的算法和数据结构，就会轻松很多啦！

串联概念：经典概率模型

这个经典概率模型比Transformer简单10倍，非常易于理解。

假设我们要做一个汪星人的大模型，汪星人只有睡觉、跑步、吃饭三个行为，汪星语也只有下面这一种句式：

我 刚才 跑步，我 现在 吃饭
我 刚才 睡觉，我 现在 吃饭
……

我们的目标和GPT是一样的，都是用已有的文本预测下一个字，比如下面的例子：

我 刚才 跑步，我 现在 ___

要预测上面例子的横线里应该填什么，只要计算“跑步”这个行为之后哪个行为的概率最大就可以了。比如：P(吃饭|跑步) 表示汪星人在“跑步”之后，下一个行为是“吃饭”的概率。

从程序视角实现这个“大模型”，显然需要先建立一个词表（Vocabulary），存储所有的汪星词汇。看下面这张图，一共有六个词：我、刚才、现在、吃饭、睡觉、跑步。那这个词表的长度 L 就等于 6。

然后，根据汪星语料，计算每一个词的概率 $P(wn|wi)$，这也就是汪星大模型的模型训练过程。在模型运行时，可以根据输入的文本, 遍历词表获取每个词的概率，输出一个结果向量（长度也为 L）。

[0, 0, 0, 0.6, 0.3, 0.1]

比如上面的向量里 4 号词概率最高，是 0.6，所以下一个字要输出“吃饭”。整个模型的程序流程图如下。

摸清流程：Transformer 架构及流程图

甚至你可以用 Python 代码实现这个“大模型”。接下来的 Transformer 程序流程虽然比这个复杂，但是和外围辅助概念 输入、输出、词表 相比，结构和功能是一样的，只是概率计算方法不同。所以，我们完全可以在这个流程图的基础上进一步细化理解 Transformer 程序流程。

在真正开始细化这个流程之前，我们必须先搞清 Transformer 的整体架构。我引用了一张 Transformer 论文里的架构图，这张图对熟悉机器学习的朋友来说逻辑非常清晰。

从这张图中，我们可以看到 Transformer 的核心组件包括编码器（Encoder）和解码器（Decoder），它们通过自注意力机制（Self-Attention）和多头注意力机制（Multi-Head Attention）来处理输入和输出。每一个编码器和解码器都由多个层组成，每一层都包含多个子层，这些子层协同工作，实现了对输入序列的深度学习和特征提取。

我们可以用“分治法”把 Transformer 架构先用红框分为 3 大部分，输入、编解码、输出，更容易一步步理解它。

业务视角的逻辑流程

示例数据

You：我爱你
GPT：i love you

Transformer 的工作原理

Transformer 是怎么做到通过输入一段文本，GPT 模型就能预测出最可能成为下一个字的字的呢？这个问题，我想下面的图已经表示得非常清楚了。

第一步，当 Transformer 接收到“我爱你”这个输入，经过 1- 输入层，2- 编解码层，输出下一个字符 i。

关键是第二步，此时的输入变为了“我爱你”加上第一步的输出 i，Transformer 预测的输出是 love。

总的来说，就是 Transformer 架构的输入模块接收用户输入并做内部数据转换，将结果输出给编解码模块，编解码模块做核心算法预测概率，输出模块根据计算得到的概率向量查词表得到下一个输出字符。其中，输出模块和刚才的经典概率模型一致，后续我们重点细化理解 “1- 输入模块” 和 “2- 编解码模块” 就可以了。

在 Transformer 架构图里，每一个方框代表一个算法。对普通工程师而言，Transformer 架构图不好理解的部分无非就是每个方框里的算法细节，这也是我们下面要学习的知识点。

程序视角的逻辑：矩阵计算

Transformer 架构里的所有算法，其实都是矩阵和向量计算。先看一个 N x M 的矩阵数据结构例子。可以理解为程序中的 n 行 m 列 的数组。

其中，当 N = 1 时，就叫做 M 维向量。

简单起见，我们可以把每一个方框里的算法统一描述为下图。这张图可能有点复杂，我来说明一下。

你看，每一个算法的输入都是 N1 x M1 的矩阵，每个算法都是在这个输入基础上和其他矩阵进行计算。假设有 i 个相关参数矩阵，那么最后都会输出矩阵 N2 x M2，它也会成为下一个算法的输入。

这些在箭头上的 Ni x Mi 矩阵的每次计算都是动态的，而作为运算参数的 Ci x Di 矩阵都是模型提前训练好的。Ni x Mi 矩阵是用户输入和算法的中间结果，Ci x Di 里的具体参数其实就是模型参数。

编解码层数为 Nx，表示同样的算法要做 Nx 次，但是要注意，每一层里的 Ci x Di 参数矩阵具体数值是不同的，也就是有 Nx 套这样的参数。

这样说的话，例 1 的实现逻辑就是：“我爱你” 字符串通过 Transformer 已经训练好的一系列矩阵参数通过多层计算后，就能获得最大概率的下一字 i。

OK，这样抽象出来之后，我们接下来就不用再关注非核心的算法流程，只要重点理解 输入模块 和 编解码模块 的过程就好了。

Transformer 核心算法和结构

我们集中注意力，依次细化最核心的三个算法和结构：Token 词表，Embedding 向量，Self-Attention 算法，并且在经典模型的程序流程图上进行细化。先从相对更好理解的 Token 和 Token 词表 开始说起。

Token 和 Token 词表

Transformer 中的 Token 词表和前述的词表作用相同，但 Token 是一个比词更细的单位。比如输入：“我叫xx”，会被拆成 4 个 Token：我 / 叫 / x / x。

拆分成 Token 的目的是控制词表的大小，因为在自然语言中，类似“xx”的长尾词占到了 90%。

比照经典模型的词表，刚才的例子都可以做成一张图表示 Token 词表。

Token 在 Transformer 里会作为基本运算单位，用户的输入“我爱你”和“i”转换成 Token 表示就是 [ 我, 爱，你，#i ]。注意，Transformer 里的每个 Token 并不仅仅只有一个序号，而是会用一个 Embedding 向量表示一个 Token 的语义。

通过这种方式，Transformer 能够高效地处理各种输入，同时控制词表的大小，避免因长尾词导致的词表膨胀问题。

输入模块的核心：Embedding 向量

Embedding 向量 具体形式如下。

#i --> [0.1095, 0.0336, ..., 0.1263, 0.2155, ...., 0.1589, 0.0282, 0.1756]

长度为 M，则叫 M 维向量。对应的，它的 Token 词表 在逻辑上可以细化为下图。

Transformer 架构输入部分第一个流程就是 Embedding。以这个例子里的输入 Token [我, 爱, 你, #i] 为例，你可以把这个过程理解为：Token 挨个去词表抽取相应的 Embedding，这个过程我用图片表示出来了。

你看，假设词表总长度是 L，比如“我”这个 Token 的 Embedding 就可以直接从词表里取出来。这个例子输入的总 Token 数量 N = 4，Embedding 向量的维度是 M，此时抽取的矩阵是一个 4 x M 的矩阵。

在 GPT-3 里，Embedding 的维度 M = 12288，这个例子里 N = 4，所以最终输入模块得到的矩阵就是下面这样的。

这个矩阵将作为 Transformer 架构中后续处理的基础输入。

一个 Embedding 维度代表一个 Token 的语义属性，维度越高，训练成本就越高，GPT-3 的经验是 M = 12288 维，就足够涌现出类似人类的智能。好了，到此为止，我们已经把输入模块做了足够细化，下面是第一次细化后对应的程序流程图。

参考文献

1. 原理：一个例子讲清楚Transformer原理