AI核心知识91——大语言模型之 Transformer 架构(简洁且通俗易懂版)

Transformer 架构 是人工智能历史上最伟大的发明之一,被誉为 AI 时代的**"** 内燃机 "

它是 Google 团队于 2017 年在论文《Attention Is All You Need》中提出的。 它的出现,直接终结了统治 NLP 领域多年的 RNN(循环神经网络)时代,并奠定了后来 GPT、BERT、Llama 等所有大语言模型的基石。

简单来说,没有 Transformer,就没有现在的 ChatGPT。


1.🐢 过去的问题:串行处理 (RNN)

在 Transformer 出现之前,AI 读文章像是一个**"接力赛"** (RNN/LSTM):

  1. 读第一个字,传给第二个字。

  2. 读第二个字,结合第一个字的记忆,传给第三个字。

  3. ...

  • 缺点 1:慢。必须等前一个算完才能算后一个,没法并行。

  • 缺点 2:健忘。传到第 100 个字时,第 1 个字的信息早就模糊了(长距离依赖问题)。


2.⚡ Transformer 的革命:并行处理

Transformer 彻底抛弃了循环,它读文章像是**"看照片"** : 它把整篇文章同时扔进 显卡 里,一眼看全所有字。

它通过我们之前聊过的 自注意力机制 (Self-Attention),让文章末尾的字可以直接"看见"文章开头的字,完全没有距离限制。


3.🏗️ 架构解剖:编码器与解码器

标准的 Transformer 架构像是一个**"三明治"** ,由两大部分组成。但现在的 LLM 通常只用其中一半。

A. 编码器 (Encoder) ------ "阅读者"
  • 功能 :负责输入理解。它把一句话读进去,压缩成一个高维的向量表示。

  • 特点:它能同时看到上下文(左边的词和右边的词)。

  • 代表模型BERT

    • 用途:情感分析、文本分类、搜索引擎(理解你在搜什么)。
B. 解码器 (Decoder) ------ "创作者"
  • 功能 :负责输出生成。它根据输入的信息,一个字一个字地预测下一个字(NTP)。

  • 特点 :它是单向的。在写第 5 个字时,只能看前 4 个字,不能偷看第 6 个字(因为还没写出来)。

  • 代表模型GPT 系列 ( ChatGPT ), Llama, Claude。

    • 用途:对话、写代码、写小说。
C. 编码器-解码器 (Encoder-Decoder) ------ "翻译官"
  • 功能:原始的 Transformer 是这两者的结合。左边读(Encoder),右边写(Decoder)。

  • 代表模型T5 , BART

    • 用途:机器翻译(读英文 -> 写中文)。

注意: 目前最火的生成式 AI(如 GPT-4),本质上只是 Transformer 的 Decoder-only(纯 解码器 架构。它放弃了专门的编码器,直接用解码器来搞定一切(既理解又生成)。


4.🧱 核心组件:Transformer 里的"积木"

如果把 Transformer 拆开,你会发现它是由一个个层 (Layer) 堆叠起来的摩天大楼。每一层都包含以下零件:

  1. 多头自注意力 (Multi-Head Self-Attention)

    1. 负责"找关系"。(Q、K、V 在这里相亲)。
  2. 前馈神经网络 (Feed-Forward Network, FFN)

    1. 负责"思考和记忆"。注意力机制汇聚了信息后,交在这里进行复杂的非线性变换。很多研究认为,大模型的知识其实是存储在 FFN 的参数里的。
  3. 残差连接 (Residual Connection) & 层 归一化 (Layer Norm )

    1. 负责"维稳"。

    2. 残差连接是一条高速公路,允许数据跳过某些层直接传输,防止层数太深导致模型学傻了(梯度消失)。

    3. 归一化则是把数据强行拉回一个标准范围,防止数值爆炸。


5.🏆 为什么它能统治世界?

Transformer 之所以能击败所有对手,核心在于三个字:可扩展性 (Scalability)

  • 只要加钱(显卡),就能变强:之前的模型,参数加到一定程度性能就饱和了。但 Transformer 像个无底洞,你给它喂的数据越多、层数堆得越高(BERT 只有 3 亿参数,GPT-4 有 1.8 万亿),它就越聪明,甚至涌现出意想不到的能力。

  • 多模态通用 :后来人们发现,Transformer 不仅能处理文字,把图片切成小块(ViT),把视频切成片段(Sora),它照样能处理。它成了一种通用的万能计算架构

总结

Transformer 架构 是 AI 的**"躯体"** 。

  • Token 是它的血液

  • 自注意力 是它的神经网络

  • RoPE 是它的定位系统

  • NTP 是它的本能反应

正是这个精妙绝伦的架构,承载了人类所有的知识,并在 21 世纪初引发了这场名为 AGI 的技术爆炸。

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