收藏！一文读懂大语言模型核心：Token、自回归与位置编码

要理解大语言模型(LLM)，首先要理解它的本质，无论预训练、微调还是在推理阶段，核心都是next token prediction，也就是以自回归的方式从左到右逐步生成文本。

什么是 token

token是指文本中的一个词或者子词，给定一句文本，送入语言模型前首先要做的是对原始文本进行tokenize，也就是把一个文本序列拆分为离散的token序洌

其中，tokenize是在无标签的语料上训练得到的一个token数量固定且唯一的分词器，这里的token数量就是大家常说的词表

英文中的 Token

• 在英文中，Token 通常是单词、子词或标点符号。一个单词可能对应一个 Token，也可能被拆分为多个 Token。例如，“unhappiness” 可能被拆分为 “un”、“happi” 和 “ness”。
• 一般来说，1 个 Token 对应 3 至 4 个字母，或者约 0.75 个单词。

中文中的 Token

• 在中文中，Token 通常是单个汉字或经过分词后的词语。例如，“人工智能” 可能被拆分为 “人工” 和 “智能”。
• 不同平台对 Token 的定义有所不同。例如，通义千问和千帆大模型中 1 Token 等于 1 个汉字，而腾讯混元大模型中 1 Token 约等于 1.8 个汉字

当我们对文本进行分词后，每个token可以对应一个embedding，这也就是语言模型中的embedding层，获得某个token的embedding就类似一个查表的过程

我们知道文本序列是有顺序的，而常见的语言模型都是基于注意力机制的transformer结构，无法自动考虑文本的前后顺序，因此需要自动加上位置编码，也就是每个位置有一个位置embedding 然后和对应位置的token embedding进行相加

在模型训练或推理阶段大家经常会听到上下文长度这个词，它指的是模型训练时接收的token训练的最大长度，如果在训练阶段只学习了一个较短长度的位置embedding，那模型在推理阶段就不能够适用于较长文本(因为它没见过长文本的位置编码)

语言模型的预训练

当我们有了token的embedding和位置embedding后，将它们送入一个decoder-only的transofrmer模型，它会在每个token的位置输出一个对应的embedding(可以理解为就像是做了个特征加工)

有了每个token的一个输出embedding后，我们就可以拿它来做 next token prediction了，其实就是当作一个分类问题来看待:

• 首先我们把输出embedding送入一个线性层，输出的维度是词表的大小，就是让预测这个token的下一个token属于词表的"哪一个"
• 为了将输出概率归一化，需要再进行一个softmax变换
• 训练时就是最大化这个概率使得它能够预测真实的下一个token
• 推理时就是从这个概率分布中采样下一个token

训练阶段: 因为有 **因果自注意力（Causal Self-Attention）**的存在，我们可以一次性对一整个句子每个token进行下一个token的预测，并计算所有位置token的loss

因果自注意力通过引入一个“掩码”（mask）来实现这一机制。具体来说：

• 在计算注意力权重时，模型会将当前时刻之后的所有位置的注意力权重设置为零。
• 这样，模型在预测下一个词时，只能基于已经生成的词（即前面的词）来进行预测。

推理阶段:以自回归的方式进行预测

其中，在预测下一个token时，每次我们都有一个概率分布用于采样，根据不同场景选择采样策略会略有不同，比如有贪婪策略、核采样、Top-k采样等，另外经常会看到Temperature这个概念，它是用来控制生成的随机性的，温度系数越小越稳定。

代码实现

https://github.com/karpathy/nanoGPT/tree/master

对于各种基于Transformer的模型，它们都是由很多个Block堆起来的，每个Block主要有两个部分组成：

• Multi-headed Causal Self-Attention
• Feed-forward Neural Network

结构的示意图如下：

看图搭一下单个Block

class Block(nn.Module): def __init__(self， config): super().__init__() self.ln_1 = LayerNorm(config.n_embd， bias=config.bias) self.attn = CausalSelfAttention(config) self.ln_2 = LayerNorm(config.n_embd， bias=config.bias) self.mlp = MLP(config) def forward(self， x): x_ = x + self.attn(self.ln_1(x)) x = x + self.mlp(self.ln_2(x_)) return x

整个nano-GPT的结构

class GPT(nn.Module): def __init__(self， config): super().__init__() assert config.vocab_size is not None assert config.block_size is not None self.config = config self.transformer = nn.ModuleDict(dict( wte = nn.Embedding(config.vocab_size， config.n_embd)， wpe = nn.Embedding(config.block_size， config.n_embd)， drop = nn.Dropout(config.dropout)， h = nn.ModuleList([Block(config) for _ in range(config.n_layer)])， ln_f = LayerNorm(config.n_embd， bias=config.bias)， )) self.lm_head = nn.Linear(config.n_embd， config.vocab_size， bias=False) # with weight tying when using torch.compile() some warnings get generated: # "UserWarning: functional_call was passed multiple values for tied weights. # This behavior is deprecated and will be an error in future versions" # not 100% sure what this is， so far seems to be harmless. TODO investigate self.transformer.wte.weight = self.lm_head.weight # https://paperswithcode.com/method/weight-tying # init all weights self.apply(self._init_weights) # apply special scaled init to the residual projections， per GPT-2 paper for pn， p in self.named_parameters(): if pn.endswith('c_proj.weight'): torch.nn.init.normal_(p， mean=0.0， std=0.02/math.sqrt(2 * config.n_layer))

最后一层用来分类的线性层的权重和token embedding层的权重共享。

训练和推理的forward

首先需要构建token embedding和位置embedding，把它们叠加起来后过一个dropout，然后就可以送入transformer的block中了。

pos = torch.arange(0， t， dtype=torch.long， device=device) # shape (t)# forward the GPT model itselftok_emb = self.transformer.wte(idx) # token embeddings of shape (b， t， n_embd)pos_emb = self.transformer.wpe(pos) # position embeddings of shape (t， n_embd)x = self.transformer.drop(tok_emb + pos_emb)for block in self.transformer.h: x = block(x)x = self.transformer.ln_f(x)

接下来看推理阶段

• 根据当前输入序列进行一次前向传播
• 利用温度系数对输出概率分布进行调整
• 通过softmax进行归一化
• 从概率分布进行采样下一个token
• 拼接到当前句子并再进入下一轮循环

@torch.no_grad() def generate(self， idx， max_new_tokens， temperature=1.0， top_k=None): """ Take a conditioning sequence of indices idx (LongTensor of shape (b，t)) and complete the sequence max_new_tokens times， feeding the predictions back into the model each time. Most likely you'll want to make sure to be in model.eval() mode of operation for this. """ for _ in range(max_new_tokens): # if the sequence context is growing too long we must crop it at block_size idx_cond = idx if idx.size(1) <= self.config.block_size else idx[:， -self.config.block_size:] # forward the model to get the logits for the index in the sequence logits， _ = self(idx_cond) # pluck the logits at the final step and scale by desired temperature logits = logits[:， -1， :] / temperature # optionally crop the logits to only the top k options if top_k is not None: v， _ = torch.topk(logits， min(top_k， logits.size(-1))) logits[logits < v[:， [-1]]] = -float('Inf') # apply softmax to convert logits to (normalized) probabilities probs = F.softmax(logits， dim=-1) # sample from the distribution idx_next = torch.multinomial(probs， num_samples=1) # append sampled index to the running sequence and continue idx = torch.cat((idx， idx_next)， dim=1) return idx

温度参数（Temperature）的作用

温度参数temperature是一个超参数，用于控制生成文本的随机性。它的作用是调整 logits 的分布，从而影响最终的概率分布。

具体来说：

• temperature > 1：增加随机性
• 当温度参数大于 1 时，会放大logits 的值，使得 logits 的分布更加“平坦”。
• 这意味着在 softmax 转换为概率分布后，各个 token 的概率会更加接近，从而增加生成结果的随机性。
• 例如，假设原始 logits 是[10， 20， 30]，除以温度参数 2 后变为[5， 10， 15]，经过 softmax 后，概率分布会更加均匀。
• temperature < 1：减少随机性
• 当温度参数小于 1 时，会缩小logits 的值，使得 logits 的分布更加“尖锐”。
• 这意味着在 softmax 转换为概率分布后，高概率的 token 会更加突出，而低概率的 token 的概率会进一步降低，从而减少生成结果的随机性。
• 例如，假设原始 logits 是[10， 20， 30]，除以温度参数 0.5 后变为[20， 40， 60]，经过 softmax 后，概率分布会更加集中在高概率的 token 上。
• temperature = 1：保持原始分布
• 当温度参数等于 1 时，logits 不变，模型的输出概率分布保持原始的预测结果。

为什么要调整温度参数？

• 增加随机性（temperature > 1）：
• 有助于生成更多样化的文本，避免模型总是生成相同的、高概率的 token。
• 适用于需要创造性或多样性的场景，例如诗歌生成、故事创作等。
• 减少随机性（temperature < 1）：
• 有助于生成更稳定、更符合预期的文本，减少生成的噪声。
• 适用于需要高准确性的场景，例如机器翻译、问答系统等。

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