【大模型教程——第二部分：Transformer架构揭秘】第2章：模型家族谱系：从编码器到解码器 (Model Architectures)

第2章：模型家族谱系：从编码器到解码器 (Model Architectures)

"The best way to predict the future is to invent it." - Alan Kay

本章将带你理解Transformer的三大架构分支，掌握每种架构的设计哲学、技术细节和2025年的主流选择，助你在实际应用中做出明智的架构选型。

一、共同的祖先：编码器-解码器架构
- [1.1 原始Transformer的双塔设计](#1.1 原始Transformer的双塔设计)
- [1.2 编码器-解码器的工作流程](#1.2 编码器-解码器的工作流程)
- [1.3 T5：现代编码器-解码器的代表](#1.3 T5：现代编码器-解码器的代表)
二、分裂与演化：为何不都用编码器-解码器？
- [2.1 计算效率考量](#2.1 计算效率考量)
- [2.2 任务特性适配](#2.2 任务特性适配)
三、仅编码器架构：双向的理解专家
- [3.1 BERT的革命性设计](#3.1 BERT的革命性设计)
- [3.2 掩码语言模型 (MLM)](#3.2 掩码语言模型 (MLM))
- [3.3 为什么BERT不能生成文本？](#3.3 为什么BERT不能生成文本？)
- [3.4 实战：BERT文本分类](#3.4 实战：BERT文本分类)
四、仅解码器架构：生成的王者
- [4.1 GPT的单向设计哲学](#4.1 GPT的单向设计哲学)
- [4.2 因果注意力机制 (Causal Mask)](#4.2 因果注意力机制 (Causal Mask))
- [4.3 2025年视角：Decoder-only的全面胜利](#4.3 2025年视角：Decoder-only的全面胜利)
- [4.4 实战：GPT文本生成](#4.4 实战：GPT文本生成)
五、架构选型指南
- [5.1 三大架构对比表](#5.1 三大架构对比表)
- [5.2 决策树：我该用哪个？](#5.2 决策树：我该用哪个？)
- [5.3 黄金组合：Encoder做索引，Decoder做生成](#5.3 黄金组合：Encoder做索引，Decoder做生成)
六、深度问答

本章概览

在第1章中，我们深入学习了Transformer的核心机制。但你是否好奇：为什么BERT擅长理解文本，而GPT擅长生成文本？为什么现在的新模型（如DeepSeek-V3, LLaMA-3）几乎全都是Decoder-only架构？

这一切的答案，藏在Transformer的三大架构分支中：
Transformer 原始架构

Encoder-Decoder 2017
仅编码器

Encoder-only
仅解码器

Decoder-only
编码器-解码器

Encoder-Decoder
BERT 2018

RoBERTa 2019

Embedding Models 2025
GPT-3/4 2020-2023

LLaMA-3 2024

DeepSeek-V3 2024
T5 2020

BART 2020

GLM-130B 2022

难度级别：⭐⭐（进阶）- 需要理解第1章的Transformer基础

一、共同的祖先：编码器-解码器架构

🎯 深度解析：Encoder与Decoder命名的历史真相

核心困惑：为什么GPT被称为"Decoder-only"，明明它没有"解码"任何输入源？

命名的历史遗留

这是一个Seq2Seq时代的命名惯性。让我们追溯历史：

2014-2017：Seq2Seq的黄金时代

在Transformer出现之前，机器翻译的主流范式是**序列到序列（Sequence-to-Sequence）**模型，由两个RNN组成：

复制代码

源语言: "I love AI"
    ↓
【Encoder RNN】
    ↓
固定长度的上下文向量 (Context Vector)
    ↓
【Decoder RNN】
    ↓
目标语言: "我爱AI"

在这个语境下，命名非常直观：

Encoder（编码器） ：将可变长度的源序列压缩成固定长度的向量
Decoder（解码器） ：将固定向量展开成可变长度的目标序列

关键：Decoder的输入不是目标序列本身，而是来自Encoder的编码结果。

Transformer继承了命名，但改变了本质

2017：Transformer论文

当Vaswani等人提出Transformer时，他们保持了这套命名：

Encoder：双向注意力，处理源序列（如英文句子）
Decoder：带Causal Mask的自注意力 + Cross-Attention，生成目标序列（如中文句子）

但注意关键变化 ：Transformer的Decoder现在有两个注意力机制：

Masked Self-Attention：对目标序列自己进行因果注意力
Cross-Attention：从Encoder获取源序列信息

命名的崩塌：BERT和GPT时代

2018：BERT（Encoder-only）

BERT砍掉了Decoder，只保留了Encoder的双向注意力。这个命名还算合理------它确实是在"编码"输入。

2018：GPT（Decoder-only）

GPT砍掉了Encoder和Cross-Attention，只保留了Decoder的Masked Self-Attention。

这里就出现了命名混乱：

GPT没有"源序列"和"目标序列"的区分
它的输入和输出是同一个序列（自回归生成）
它没有任何"解码"操作（没有从压缩向量还原信息）

那为什么还叫Decoder-only？

因为它使用的是Transformer原始论文中Decoder部分的Self-Attention机制（Causal Mask）。

正确理解：Decoder = Masked Encoder

本质揭秘：

从技术实现看，GPT的"Decoder"就是加了Causal Mask的Encoder。

特性	BERT (Encoder)	GPT (Decoder)	本质区别
Self-Attention	双向（Full Mask）	单向（Causal Mask）	注意力掩码不同
Position Encoding	✅	✅	相同
FFN	✅	✅	相同
LayerNorm	✅	✅	相同
Cross-Attention	❌	❌ (在GPT中被移除)	都没有

代码验证：

python 复制代码

import torch
import torch.nn as nn

def create_attention_mask(seq_len, is_encoder=True):
    """创建注意力掩码"""
    if is_encoder:
        # Encoder: 全1矩阵（双向）
        mask = torch.ones(seq_len, seq_len)
    else:
        # Decoder: 下三角矩阵（因果）
        mask = torch.tril(torch.ones(seq_len, seq_len))
    return mask

# 对比Encoder和Decoder的唯一区别
encoder_mask = create_attention_mask(5, is_encoder=True)
decoder_mask = create_attention_mask(5, is_encoder=False)

print("Encoder Mask (BERT):")
print(encoder_mask.int())
print("\nDecoder Mask (GPT):")
print(decoder_mask.int())

输出：

复制代码

Encoder Mask (BERT):
tensor([[1, 1, 1, 1, 1],  ← 每个token可以看到所有token
        [1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1]])

Decoder Mask (GPT):
tensor([[1, 0, 0, 0, 0],  ← 每个token只能看到左边
        [1, 1, 0, 0, 0],
        [1, 1, 1, 0, 0],
        [1, 1, 1, 1, 0],
        [1, 1, 1, 1, 1]])

结论：GPT的"Decoder"就是Masked Encoder。

为什么不重新命名？

三个原因：

历史惯性：学术界已经习惯了这套术语
论文引用链：保持命名一致性，方便追溯
功能区分 ：虽然本质相同，但"Encoder-only"和"Decoder-only"的名字确实暗示了它们的训练目标 不同：
- Encoder（BERT）：预测被Mask的token（双向上下文）
- Decoder（GPT）：预测下一个token（单向因果）

更准确的命名方案

如果重新命名，学术界可能会这样称呼：

现在的名字	更准确的名字	核心特征
Encoder-only	Bidirectional Transformer	双向注意力
Decoder-only	Causal Transformer	因果注意力
Encoder-Decoder	Cross-Attention Transformer	交叉注意力

但这些新名字已经错过了历史时机。

面试标准回答

Q: 为什么GPT叫Decoder-only，它明明没有Encoder？

A : 这是Seq2Seq时代的命名遗留。在原始Transformer中，Decoder使用Causal Mask的Self-Attention + Cross-Attention。GPT移除了Cross-Attention，只保留了Causal Self-Attention，因此被称为"Decoder-only"。从技术本质上讲，GPT的"Decoder"就是加了Causal Mask的Encoder，两者的唯一区别是注意力掩码的形状（全1矩阵 vs 下三角矩阵）。

关键洞察

记住一句话：

Decoder-only ≠ 解码器，而是 Masked Encoder = 因果注意力的Transformer

这个命名更多是历史传承，而非技术本质。

1.1 原始Transformer的双塔设计

2017年，论文《Attention is All You Need》提出的Transformer，采用的是**编码器-解码器（Encoder-Decoder）**结构，最初是为了解决机器翻译任务：
解码器：生成目标语言
编码器：理解源语言
输入: I love AI
双向Attention
语义向量
输入:
Masked Attention
Cross Attention
输出: 我

核心设计理念：

编码器（Encoder） ：使用双向注意力，同时看到整个输入句子，提取深层语义。
解码器（Decoder） ：使用因果注意力（只看左边），自回归地生成目标句子。
交叉注意力（Cross-Attention）：连接两座塔的桥梁，让解码器在生成每个字时都能"回头看"编码器的信息。

1.2 编码器-解码器的工作流程

以翻译 "I love AI" -> "我爱AI" 为例：

编码阶段：Encoder 读入完整句子 "I love AI"，将其转化为一系列高维向量（Memory）。
解码阶段 - Step 1 ：Decoder 接收 <start>，此时通过 Cross-Attention 查询 Memory，重点关注 "I"，输出 "我"。
解码阶段 - Step 2 ：Decoder 接收 <start> 我，关注 "love"，输出 "爱"。
解码阶段 - Step 3 ：Decoder 接收 <start> 我爱，关注 "AI"，输出 "AI"。

1.3 T5：现代编码器-解码器的代表

Google 在 2020 年提出的 T5 (Text-to-Text Transfer Transformer) 将这种架构推向了极致。它提出一个核心观点：所有NLP任务都可以视为文本到文本的转换。

翻译：translate English to German: That is good. -> Das ist gut.
分类：cola sentence: The course is jumping well. -> not acceptable
摘要：summarize: state authorities dispatched emergency crews... -> six people hospitalized...

T5 证明了 Encoder-Decoder 架构在多任务统一上的强大能力，特别是对于输入输出都需要理解的任务（如翻译、摘要）。

二、分裂与演化：为何不都用编码器-解码器？

既然 Encoder-Decoder 全能，为什么后来分化出了 BERT 和 GPT？

2.1 计算效率考量

Encoder-Decoder 需要维护两套参数（编码器和解码器），且推理时需要两个模块协同工作。

对于分类任务（如情感分析），只需要输出一个标签，用 Decoder 是杀鸡用牛刀。
对于生成任务（如写小说），输入就是上文，不需要单独的 Encoder 去编码一个"源文本"，直接用 Decoder 自回归即可。

2.2 任务特性适配

理解密集型 ：情感分析、实体识别、文本匹配。需要双向上下文（既看左也看右）。👉 Encoder-only (BERT)
生成密集型 ：创意写作、代码补全、对话。需要自回归 生成（只能看左，不能剧透）。👉 Decoder-only (GPT)

三、仅编码器架构：双向的理解专家

3.1 BERT的革命性设计

BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) 砍掉了 Transformer 的解码器，只保留编码器。

核心武器：双向注意力 (Bidirectional Attention)

GPT 只能从左到右看（为了生成），这导致它在理解语境时有缺陷。例如：

"I went to the bank to deposit money."

"I went to the bank of the river."

BERT 能同时看到 "bank" 左右的词（"deposit money" 或 "river"），从而精准判断 "bank" 是"银行"还是"河岸"。

3.2 掩码语言模型 (MLM)

为了训练双向模型，BERT 发明了 MLM (Masked Language Modeling) 任务，类似"完形填空"：

原句：The cat sat on the mat.

输入：The cat [MASK] on the mat.

目标：预测 [MASK] 是 "sat"。

代码实战：BERT 做完形填空

python 复制代码

from transformers import pipeline

fill_mask = pipeline("fill-mask", model="bert-base-uncased")
result = fill_mask("Paris is the [MASK] of France.")

print(result)
# 输出: [{'score': 0.99, 'token_str': 'capital', ...}]

3.3 为什么BERT不能生成文本？

这是一个常见的面试题：BERT 既然理解能力这么强，为什么不能用来写文章？

预训练目标不同：BERT 训练的是"填空"能力，不是"预测下一个词"的能力。它习惯了看到完整的上下文。
双向注意力的泄露 ：在生成时，如果使用双向注意力，生成第 t t t 个词时会看到第 t + 1 t+1 t+1 个词的信息（这在训练时是存在的，但在真实生成时通过 Mask 可以在技术上屏蔽，但模型并未适应这种单向语境）。
独立性假设：BERT 预测 [MASK] 时假设各个 [MASK] 是独立的（在非自回归变体中），而文本生成强依赖词与词的顺序关联。

3.4 实战：BERT文本分类

BERT 最擅长的是将变长的文本压缩成一个定长的向量（通常取 [CLS] token 的向量），用于分类。

python 复制代码

import torch
from transformers import BertTokenizer, BertForSequenceClassification

# 1. 加载模型
model_name = "bert-base-uncased"
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(model_name)
model = BertForSequenceClassification.from_pretrained(model_name, num_labels=2)

# 2. 准备输入
text = "This movie is absolutely fantastic!"
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt")

# 3. 前向传播
with torch.no_grad():
    outputs = model(**inputs)
    logits = outputs.logits
    prediction = torch.argmax(logits, dim=-1)

print(f"预测类别: {prediction.item()}")

四、仅解码器架构：生成的王者

4.1 GPT的单向设计哲学

GPT (Generative Pre-trained Transformer) 砍掉了 Transformer 的编码器，只保留解码器。

它的哲学非常简单粗暴：预测下一个词 (Next Token Prediction) 。

不需要复杂的 Mask 策略，不需要区分源文本和目标文本，就是把整个互联网的文本读一遍，尝试预测每一个词的下一个词是什么。

P ( text ) = ∏ i = 1 n P ( w i ∣ w 1 , . . . , w i − 1 ) P(\text{text}) = \prod_{i=1}^{n} P(w_i | w_1, ..., w_{i-1}) P(text)=i=1∏nP(wi∣w1,...,wi−1)

4.2 因果注意力机制 (Causal Mask)

GPT 的核心在于Causal Mask（因果掩码） ，保证预测 w i w_i wi 时只能看到 w 1 w_1 w1 到 w i − 1 w_{i-1} wi−1，绝不能看到后面。

Causal Mask 的形状与实现 ：

它是一个下三角矩阵（上三角部分被处理为负无穷大，Softmax 后变为 0）。

python 复制代码

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

def create_causal_mask(size):
    # 创建一个全1矩阵
    mask = torch.ones(size, size)
    # 提取下三角，上三角置0
    mask = torch.tril(mask)
    return mask

# 示例：长度为5的序列
# 行i表示第i个token，列j表示它关注的token
mask = create_causal_mask(5)
print(mask)
"""
输出:
tensor([[1., 0., 0., 0., 0.],  # 第1个词只能看自己
        [1., 1., 0., 0., 0.],  # 第2个词看前2个
        [1., 1., 1., 0., 0.],
        [1., 1., 1., 1., 0.],
        [1., 1., 1., 1., 1.]]) # 第5个词看全部
"""

4.3 2025年视角：Decoder-only的全面胜利

在 2018-2020 年，BERT 和 GPT 各领风骚。但在 2025 年的今天，Decoder-only 架构已经统治了通用大模型领域。

主流模型清单 (2025)：

OpenAI GPT-4/o1：Decoder-only
Meta LLaMA 3：Decoder-only
DeepSeek-V3/R1：Decoder-only (配合 MoE)
Anthropic Claude 3.5：Decoder-only

胜出原因：

Scaling Law (扩展定律) ：研究发现，在极大规模参数下，Causal Decoder 的训练效率最高，最容易扩展。BERT 的 MLM 任务每个样本只能学习 15% 的 token（被 mask 的那些），而 GPT 的 Next Token Prediction 每个样本的所有 token 都能产生 loss，数据利用率更高。
In-Context Learning (上下文学习)：这是 GPT-3 发现的涌现能力。Decoder-only 架构天然符合人类"说话"的顺序，给它几个示例（Few-shot），它就能依葫芦画瓢地生成后续内容。这种通用性通过 Prompt 实现了无需微调即可处理多种任务。
推理优化的成熟：KV Cache 等技术让 Decoder-only 的生成速度大幅提升，工业界围绕这一架构建立的生态（vLLM, TensorRT-LLM）最为完善。

注意：DeepSeek-V3 虽然引入了 MLA (Multi-head Latent Attention) 等改进，DeepSeek-R1 引入了强化学习训练推理能力，但它们的骨架依然是 Decoder-only Transformer。这一点至关重要。

4.5 Dense vs Sparse：MoE架构的崛起

在 Decoder-only 架构的主流之下，2024-2025年出现了一个重要的分支创新：混合专家 (Mixture of Experts, MoE) 架构。

什么是MoE？

传统Transformer是密集模型（Dense Model） ：每个token都经过所有参数的计算。而MoE是稀疏模型（Sparse Model）：模型拥有大量参数，但每个token只激活其中一小部分。
MoE Model
输入Token
路由器

Router
专家1

7B
专家2

7B
...

专家8
输出
Dense Model
输入Token
全部参数

70B
输出
Dense
MoE

核心原理：

路由机制（Gating）：对于每个token，通过一个小型路由网络决定激活哪几个专家。
稀疏激活：通常只激活Top-K个专家（如K=2，即8个专家中选2个）。
专家专业化：不同专家自然地学习到不同领域的知识（如代码、数学、语言等）。

Dense vs Sparse 对比

特性	Dense Model (LLaMA 3)	Sparse MoE (DeepSeek-V3)
总参数量	70B	671B
激活参数量	70B (100%)	37B (5.5%)
推理成本	高（所有参数参与）	中等（相当于37B Dense）
训练成本	中等	高（需要Expert Parallelism）
性能	优秀	卓越（超越GPT-4）
显存占用	140GB (FP16)	1.3TB (需要分布式)

代码示例：MoE的路由逻辑

python 复制代码

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class MoELayer(nn.Module):
    """混合专家层"""

    def __init__(self, num_experts: int = 8, expert_dim: int = 4096,
                 top_k: int = 2):
        super().__init__()
        self.num_experts = num_experts
        self.top_k = top_k

        # 路由器：为每个token选择专家
        self.gate = nn.Linear(expert_dim, num_experts)

        # 专家网络（简化为单层FFN）
        self.experts = nn.ModuleList([
            nn.Sequential(
                nn.Linear(expert_dim, expert_dim * 4),
                nn.GELU(),
                nn.Linear(expert_dim * 4, expert_dim)
            )
            for _ in range(num_experts)
        ])

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        """
        x: (batch_size, seq_len, expert_dim)
        """
        batch_size, seq_len, dim = x.shape

        # 1. 路由决策：为每个token选择Top-K专家
        gate_logits = self.gate(x)  # (B, L, num_experts)
        gate_probs = F.softmax(gate_logits, dim=-1)

        # 选择Top-K专家
        top_k_probs, top_k_indices = torch.topk(gate_probs, self.top_k, dim=-1)
        top_k_probs = F.softmax(top_k_probs, dim=-1)  # 重新归一化

        # 2. 稀疏激活：只计算被选中的专家
        output = torch.zeros_like(x)

        for i in range(self.top_k):
            expert_idx = top_k_indices[..., i]  # (B, L)
            expert_weight = top_k_probs[..., i].unsqueeze(-1)  # (B, L, 1)

            # 批量处理：将同一专家的token收集在一起
            for expert_id in range(self.num_experts):
                mask = (expert_idx == expert_id)
                if mask.any():
                    expert_input = x[mask]
                    expert_output = self.experts[expert_id](expert_input)
                    output[mask] += expert_output * expert_weight[mask]

        return output

# 使用示例
moe_layer = MoELayer(num_experts=8, expert_dim=4096, top_k=2)
x = torch.randn(2, 10, 4096)  # (batch=2, seq_len=10, dim=4096)
output = moe_layer(x)

print(f"输入形状: {x.shape}")
print(f"输出形状: {output.shape}")
print(f"激活参数比例: {2/8:.1%} (Top-2 / 8 experts)")

MoE的训练挑战与解决方案：

负载均衡问题：所有token都选择同一个专家，导致其他专家"失业"。

解决：添加Load Balancing Loss，惩罚不均衡的专家选择。

python 复制代码

def load_balancing_loss(gate_logits, num_experts):
    """
    确保每个专家被平均使用
    """
    # 计算每个专家被选择的频率
    expert_counts = F.softmax(gate_logits, dim=-1).sum(dim=[0, 1])
    target_counts = gate_logits.size(0) * gate_logits.size(1) / num_experts

    # L2损失
    return ((expert_counts - target_counts) ** 2).mean()

通信开销：专家分布在不同GPU上，需要频繁通信。
- 解决：Expert Parallelism（专家并行）+ All-to-All通信优化。
推理部署：显存占用大（需要加载所有专家）。
- 解决：量化压缩（INT8/INT4）+ 专家卸载到CPU/磁盘。

实际案例：

模型	总参数	激活参数	专家数	Top-K	性能亮点
Mixtral 8x7B	46.7B	13B	8	2	接近LLaMA-70B性能，推理快5倍
DeepSeek-V3	671B	37B	256	8	超越GPT-4，训练成本仅$5.5M
Qwen2.5-MoE	14.3B	2.7B	60	8	2.7B激活达到7B Dense性能

为什么MoE在2025年爆发？

成本优势：训练671B MoE的成本 < 训练175B Dense。
推理效率：激活参数少，推理速度快。
容量优势：更多参数意味着更大的知识容量。
分布式训练成熟：DeepSpeed、Megatron等框架原生支持MoE。

深入学习：MoE的完整训练策略、路由机制设计、专家并行实现详见 [Part 7 第2章：新型架构探索]。

4.6 超越Transformer：SSM与Mamba的挑战

虽然Transformer统治了2025年的LLM领域，但研究者们一直在探索非Transformer架构，试图解决Transformer的固有缺陷：

Transformer的痛点：

二次方复杂度 ：注意力机制的计算量是 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)，处理长文本（如100K tokens）时非常慢。
KV Cache膨胀：生成长文本时，KV Cache占用的显存随序列长度线性增长。

状态空间模型（SSM）：线性时间的挑战者

核心思想：用状态空间方程替代注意力机制，将序列建模问题转化为线性系统。

{ h t = A h t − 1 + B x t y t = C h t + D x t \begin{cases} h_t = A h_{t-1} + B x_t \\ y_t = C h_t + D x_t \end{cases} {ht=Aht−1+Bxtyt=Cht+Dxt

其中：

h t h_t ht：隐状态（类似RNN）
A , B , C , D A, B, C, D A,B,C,D：可学习的状态转移矩阵
关键：可以通过卷积形式高效实现，复杂度为 O ( n log ⁡ n ) O(n \log n) O(nlogn)

Mamba (2023)：最成功的SSM架构

Mamba通过**选择性SSM（Selective SSM）**解决了传统SSM无法处理长距离依赖的问题：

python 复制代码

# Mamba的核心思想（概念代码，非实际实现）
class MambaBlock(nn.Module):
    """
    Mamba块：选择性状态空间模型
    """
    def __init__(self, d_model, d_state=16):
        super().__init__()
        self.d_model = d_model
        self.d_state = d_state

        # 选择性参数：根据输入动态调整SSM参数
        self.input_proj = nn.Linear(d_model, d_state * 3)

        # 状态转移矩阵（可学习）
        self.A = nn.Parameter(torch.randn(d_state, d_state))
        self.B = nn.Parameter(torch.randn(d_state, d_model))
        self.C = nn.Parameter(torch.randn(d_model, d_state))

    def forward(self, x):
        """
        x: (batch, seq_len, d_model)
        """
        B, L, D = x.shape

        # 选择性机制：根据输入调整SSM参数
        ssm_params = self.input_proj(x)  # (B, L, d_state*3)
        delta, B_sel, C_sel = ssm_params.chunk(3, dim=-1)

        # 状态空间递归（简化版）
        h = torch.zeros(B, self.d_state)
        outputs = []

        for t in range(L):
            # 选择性更新状态
            h = torch.sigmoid(delta[:, t]) * (self.A @ h) + B_sel[:, t] * x[:, t]
            y = C_sel[:, t] @ h
            outputs.append(y)

        return torch.stack(outputs, dim=1)

Transformer vs SSM vs Mamba 对比

特性	Transformer	传统SSM (S4)	Mamba
时间复杂度	O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)	O ( n log ⁡ n ) O(n \log n) O(nlogn)	O ( n ) O(n) O(n)
长文本处理	慢（>8K困难）	中等	快（支持1M+）
并行训练	优秀	中等	优秀
上下文学习	强	弱	中等
生态成熟度	极高	低	低

Mamba的实际表现：

python 复制代码

# 性能对比（来自Mamba论文，2024）
benchmark_results = {
    "模型": ["Transformer-7B", "Mamba-7B"],
    "训练速度": ["1x", "3x"],  # Mamba快3倍
    "推理吞吐量（8K seq）": ["1x", "5x"],  # 长序列推理Mamba快5倍
    "显存占用（100K seq）": ["OOM", "正常"],  # Transformer爆显存
    "语言建模PPL": [10.5, 10.8],  # 性能接近
}

为什么Mamba在2025年还未取代Transformer？

In-Context Learning弱：Mamba在Few-shot学习上不如Transformer，这是LLM的核心能力。
生态不足：缺少成熟的工具链（如vLLM、TensorRT-LLM对Mamba的支持有限）。
训练稳定性：大规模训练时，Mamba的稳定性不如Transformer。
投资惯性：工业界已在Transformer上投入数十亿美元，迁移成本高。

未来展望：

混合架构：Transformer（处理短上下文）+ Mamba（处理长上下文），取长补短。
多模态优势：Mamba在视频、音频等长序列模态上可能更有优势。

深入学习：SSM的数学原理、Mamba的完整实现、混合架构设计详见 [Part 7 第2章：新型架构探索]。

本节小结：

2025年的架构格局：

主流：Decoder-only Transformer（GPT、LLaMA系列）
前沿：MoE稀疏架构（DeepSeek-V3、Mixtral）
挑战者：SSM/Mamba（线性复杂度，长上下文优势）
特定领域：Encoder-only（Embedding）、Encoder-Decoder（多模态）

选择建议：

通用LLM：Decoder-only Transformer（生态最成熟）
超大规模：MoE架构（成本效率高）
超长上下文：混合架构（Transformer + Mamba）
嵌入任务：Encoder-only（BERT变体）

4.4 实战：GPT文本生成

使用 AutoModelForCausalLM 进行生成。

python 复制代码

from transformers import GPT2LMHeadModel, GPT2Tokenizer

model_name = "gpt2"
tokenizer = GPT2Tokenizer.from_pretrained(model_name)
model = GPT2LMHeadModel.from_pretrained(model_name)

prompt = "The future of AI is"
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt")

# 生成配置
output = model.generate(
    **inputs,
    max_length=50,
    temperature=0.7,    # 控制随机性：越低越保守，越高越奔放
    top_p=0.9,          # 核采样：保留累积概率90%的词
    do_sample=True      # 启用采样，否则是贪婪搜索
)

print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))
# 可能的输出: "The future of AI is bright. With transformers leading the way..."

五、架构选型指南

在 2025 年实际构建应用时，我们该如何选择？

5.1 三大架构对比表

特性	Encoder-only (BERT类)	Decoder-only (GPT类)	Encoder-Decoder (T5类)
可见范围	双向 (Bi-directional)	单向 (Uni-directional)	混合 (Mixed)
擅长任务	文本分类、命名实体识别、语义嵌入	文本生成、对话、逻辑推理	翻译、摘要 (逐渐被Decoder替代)
代表模型	BERT, RoBERTa, BGE-M3	GPT-4, LLaMA 3, DeepSeek-V3	T5, UL2
缺点	很难生成长文本	只能看左边，嵌入质量略逊	结构复杂，推理慢

5.2 决策树：我该用哪个？

如果你要把文本变成向量 (Embedding) -> Encoder-only
- 场景：RAG 中的知识库索引、语义搜索、聚类。
- 选型：bge-m3, nomic-embed-text, text-embedding-3-small (OpenAI 虽然是闭源，但内部通常也是基于双向注意力优化的)。
如果你要生成文本、回答问题、写代码 -> Decoder-only
- 场景：聊天机器人、写作助手、Agent。
- 选型：DeepSeek-V3, Claude 3.5, Llama 3, GPT-4。
如果你要处理极其不对称的转换 -> Encoder-Decoder (较少见)
- 场景：语音转文字 (Whisper)、复杂的机器翻译（尽管 GPT 也能做，但专用模型有时更精准）。

5.3 黄金组合：Encoder做索引，Decoder做生成

在最流行的 RAG (Retrieval-Augmented Generation) 架构中，我们通常结合使用两者：

用 Encoder 模型（如 BERT 变体）将百万文档转化为向量库。
用户提问时，先检索出相关文档。
用 Decoder 模型（如 GPT-4）阅读检索到的文档并回答用户问题。

这是目前企业级应用的标准范式。

六、深度问答

Q1: 既然 Decoder-only 是主流，BERT 是不是被淘汰了？

A: 没有。在 Embedding 领域（将文本转化为向量），Encoder-only 架构依然是绝对王者。因为理解一句话的语义，必须同时看到前后文。目前最强的开源 Embedding 模型（如 BGE, E5 等）本质上都是 BERT 的现代变体。

Q2: T5 这种 Encoder-Decoder 还有人用吗？

A: 在多模态领域（如音频转文本 Whisper、图像生成 Imagen）依然广泛使用。但在纯文本生成领域，确实正在被 Decoder-only 取代，因为后者在 Scaling 上更具优势。

Q3: DeepSeek-R1 / o1 是什么架构？

A: 它们的基础架构依然是 Decoder-only Transformer 。它们的"推理能力"主要来自后训练阶段 (Post-training) 的强化学习（RL）策略，而不是改变了 Transformer 的底层积木。这些内容将在 [Part 7 第4章] 详细拆解。

Q4: 我只做很简单的文本分类，该用什么？

A: 如果数据量少且算力受限，微调一个 DistilBERT (6层 BERT) 依然是最佳选择，速度快、效果好、成本低。如果不想微调，直接用 LLM (GPT) 做 Few-shot 也可以，但成本较高。

下一章预告：知道了架构，这些模型是如何"炼"出来的？MLM 和 Next Token Prediction 到底是如何让模型产生智能的？下一章《预训练的奥秘》将揭晓。

【大模型教程——第二部分：Transformer架构揭秘】第2章：模型家族谱系：从编码器到解码器 (Model Architectures)

第2章：模型家族谱系：从编码器到解码器 (Model Architectures)

目录

一、共同的祖先：编码器-解码器架构

🎯 深度解析：Encoder与Decoder命名的历史真相

命名的历史遗留

Transformer继承了命名，但改变了本质

命名的崩塌：BERT和GPT时代

正确理解：Decoder = Masked Encoder

为什么不重新命名？

更准确的命名方案

面试标准回答

关键洞察

1.1 原始Transformer的双塔设计

1.2 编码器-解码器的工作流程

1.3 T5：现代编码器-解码器的代表

二、分裂与演化：为何不都用编码器-解码器？

2.1 计算效率考量

2.2 任务特性适配

三、仅编码器架构：双向的理解专家

3.1 BERT的革命性设计

3.2 掩码语言模型 (MLM)

3.3 为什么BERT不能生成文本？

3.4 实战：BERT文本分类

四、仅解码器架构：生成的王者

4.1 GPT的单向设计哲学

4.2 因果注意力机制 (Causal Mask)

4.3 2025年视角：Decoder-only的全面胜利

4.5 Dense vs Sparse：MoE架构的崛起

什么是MoE？

Dense vs Sparse 对比

4.6 超越Transformer：SSM与Mamba的挑战

状态空间模型（SSM）：线性时间的挑战者

4.4 实战：GPT文本生成

五、架构选型指南

5.1 三大架构对比表

5.2 决策树：我该用哪个？

5.3 黄金组合：Encoder做索引，Decoder做生成

六、深度问答