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从词表到子词：Tokenizer 的“进化树”
我们常说“语言模型是理解人类语言的工具”，但事实上，模型能不能“理解”，关键要看它接收到了什么样的输入。而 Tokenizer，就是这一输入阶段的设计者。
在 NLP 的发展历程中，从词级到子词级、再到字符级和字节级，Tokenizer 的变化不仅是技术演化的轨迹，更体现了我们对语言结构理解方式的不断革新。
1. 词级 Tokenizer：早期的起点与硬性边界
词级分词曾是 NLP 世界的黄金标准。以 Word2Vec 和 GloVe 为代表，这些模型首先基于大量语料，建立起一个固定的“词表”（Vocabulary），每个词就是一个最小处理单元。
例如，“natural language processing” 这句话就会被视作三个 token。
优点：
- 粒度直观，符合人类语言认知
- 训练速度快，易于构建词向量
局限：
- 无法处理未登录词（Out-of-Vocabulary, OOV），比如“ChatGPTify”就无法表示。
- 对多语言、混合语言、拼写错误极其不友好
- 无法建模词形变化（dogs/dogged/dogging被视为完全不同的词）
中文、日文等没有自然词边界的语言，在词级分词中面临极大困难，往往依赖规则/统计分词器（如jieba、THULAC）作为前处理，造成额外偏差。
这也是“开放词汇建模”（Open Vocabulary Modeling）成为研究新方向的原因。
2. 子词级 Tokenizer：开启开放词汇建模新时代
为了兼顾词表大小、语义表达能力与泛化能力，NLP 社区引入了“子词建模”思路。它的核心是将词切成常见的片段组合，这些片段可以是词根、前缀、后缀，也可以是无意义但频繁出现的字串。
2.1 BPE（Byte Pair Encoding）
BPE 最初是用于压缩编码的技术，Sennrich 等人于2015年首次将其用于神经机器翻译中，解决未登录词问题。
核心思想：
- 初始词表为所有字符
- 统计所有相邻字符对的频率，合并出现最频繁的一对
- 重复步骤2直到达到预设词表大小
例如：
- 输入词：“unbelievable” → 初始 token 序列：[u, n, b, e, l, i, e, v, a, b, l, e]
- 合并“e” + “l” → “el”，再合并“el” + “i” → “eli”，最终形成 [un, believ, able]
优点：
- 简单、高效，可用于任意语言
- 没有 UNK，新词总能被切分
缺点：
- 贪心合并：容易忽略语义结构，切分不稳定
- 对高资源语言效果好，但在语言形态多样性高时表现欠佳
2.2 WordPiece：统计驱动的语言建模方法
WordPiece 最早由 Google 用于语音识别（Schuster & Nakajima, 2012），后在 BERT 中广泛使用。
与 BPE 不同，WordPiece 合并子词对时的目标是最大化整个训练语料的语言模型概率。
即每次选择合并那一对子词，使得合并后对数似然增加最多：
argmax A , B log P ( A + B ) − [ log P ( A ) + log P ( B ) ] \text{argmax}_{A,B} \log P(A+B) - [\log P(A) + \log P(B)] argmaxA,BlogP(A+B)−[logP(A)+logP(B)]
优点：
- 合并更有“语言感知”，效果稳定
- BERT tokenizer 中，子词带有“##”前缀用于表示续接（如：##able）
缺点：
- 需要预训练语言模型支持
- 实现更复杂，计算成本高于 BPE
2.3 SentencePiece：语言无关的统一分词框架
Kudo 提出的 SentencePiece 彻底打破了“先分词再建模”的传统，直接对原始字符流进行建模（空格也作为 token 学习）。
支持两种模式：
- BPE（与传统 BPE 类似）
- Unigram Language Model（如下）
适用于中、日等无空格语言，同时还提供了“子词正则化”技术：训练中允许多个切分方式，提高鲁棒性。
额外特点：
- 使用特殊字符“▁”表示词的起始，相当于“空格”显式化处理
- 支持子词概率采样/维特比解码
2.4 Unigram Language Model（子词剪枝）
Unigram 模型是从一个冗余的大词表开始，然后反复移除对语料概率贡献最小的 token。
其建模目标是最大化每句话的 token 序列的总概率：
P ( w ) = ∏ i = 1 n P ( t i ) P(w) = \prod_{i=1}^{n} P(t_i) P(w)=∏i=1nP(ti)
通过 EM 训练得到 token 概率后，逐步剪枝，留下最优子词表。
优点：
- 保留多种切分路径
- 支持训练时采样，增强泛化能力
缺点：
- 训练代价高，需优化动态规划
3. 字符级与字节级：从建模单位回归信号粒度
研究者逐渐意识到，复杂的 tokenizer 也可能带来误差。尤其是在处理拼写错误、多语言、emoji 等情况时，子词方法仍然存在局限。
于是，部分研究回归“字符”或“字节”粒度输入，让模型完全自己学：
ByT5（2021）
- 直接使用 UTF-8 字节作为 token，词表大小 = 256
- 训练 Transformer 模型直接建模字节序列
- 提供强大跨语言能力，对噪声、拼写错误更鲁棒
CANINE
- 用字符作为输入 token，再通过下采样压缩为较短序列以降低计算成本
- 优化了字符模型计算瓶颈，实现与 BERT 相近的效果
优劣权衡：
| 粒度 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 子词 | 语义强、长度短 | 易出错，词表限制 |
| 字节 | 无语言限制，容错性强 | 长度暴涨，建模更难 |
4. Tokenizer 与预训练模型协同演化
Tokenizer 不再只是“工具”，而变成了模型训练任务的一部分设计：
- T5 设计了特殊 token（extra_id_0 ~ extra_id_99）用于“span-infilling”任务，这些 token 被纳入 tokenizer 的静态词表
- GPT 系列 使用 byte-level BPE，对 emoji、拼音、标点处理能力大大增强
- mBERT / XLM-R 使用跨语言共享词表（WordPiece / BPE），帮助模型学习不同语言的统一表示空间
研究还在探索 动态 Tokenizer，例如 TLM（Token Learner Module），让 Transformer 模块本身决定如何分割/聚合 token，从而实现更加自适应的输入建模。
Tokenizer 演化时间线小结
| 年代 | 代表技术 | 粒度 | 策略类型 | 应用代表 |
|---|---|---|---|---|
| 2013前后 | Word2Vec / GloVe | 词级 | 固定词表 | Word2Vec, GloVe |
| 2015 | BPE | 子词级 | 贪心合并 | OpenNMT, RoBERTa |
| 2018 | WordPiece | 子词级 | 最大似然合并 | BERT, mBERT |
| 2018 | SentencePiece+BPE | 子词级 | 无预处理 + 合并 | ALBERT, T5 |
| 2018 | SentencePiece+Unigram | 子词级 | 无预处理 + 剪枝 | XLNet, T5 |
| 2019 | Byte-level BPE | 字节级 | 字节合并 | GPT-2, GPT-3 |
| 2021 | ByT5 | 字节级 | 无分词 | ByT5 |
| 2021 | CANINE | 字符级 | 下采样压缩 | CANINE |
写在最后：Tokenizer 是“理解单位”的科学
Tokenizer 不只是为了节省长度、提升效率，更是为了让模型对语言有更深入、系统的建模方式。
今天的 tokenizer，已经从“静态规则”演进到“可学习模块”；从“辅助工具”升级为“认知中介”。
而随着语言模型不断演进，我们也逐渐意识到：Tokenizer 不应当是障碍，而应当是助力。
下一篇，我们将走进多模态时代的 tokenizer：图像、音频、视频、表格……这些非文本的输入，又是如何“被切”的？又如何与文本 token 融为一体？
敬请期待。