前言
在本篇中,我们将为模型注入学习能力:你将看到优化器与损失函数的配置,训练循环的搭建,以及模型如何通过迭代提升预测准确率。最终,它将具备基本的语言生成能力——根据提示文本,自动续写英文内容。
这是从“架构构建”迈向“语言生成”的关键一步。如果你阅读至此,已经站在了构建语言模型系统的核心阶段。
一、模型主训练流程
(一)定义优化器(Optimizer)
在神经网络中,优化器的核心职责是:根据反向传播计算得到的梯度,自动更新模型中的可训练参数,从而不断提升模型的预测能力。在本文中,我们采用在Transformer中表现优秀的AdamW****优化器。
在正式构建优化器之前,我们需要收集所有参与训练的模型参数,也就是那些设置了requires_grad=True的权重张量。这些参数包括:
- 词嵌入层的权重;
- 各层注意力机制中的QKV权重与输出线性层;
- RMSNorm的权重张量;
- MoE路由器与专家网络中的参数,包括手动注册的
nn.Parameter; - 多层共享专家网络的各类线性投影层;
- 最终输出线性层的参数。
我们将这些参数整理成一个列表,并统一交由AdamW优化器进行管理与更新。
# 收集所有需要梯度更新的参数all_model_parameters = list(token_embedding_table.parameters())
# 添加 RMSNorm 权重all_model_parameters.extend(rmsnorm_weights_input)all_model_parameters.extend(rmsnorm_weights_post_attn)all_model_parameters.append(final_rmsnorm_weight)
# 添加注意力机制中的 QKV 和输出线性层权重for i in range(n_layers): all_model_parameters.extend(list(mha_qkv_linears[i].parameters())) all_model_parameters.extend(list(mha_output_linears[i].parameters()))
# 添加 MoE 路由器的线性层权重for i in range(n_layers): all_model_parameters.extend(list(moe_routers[i].parameters()))
# 添加 MoE 专家网络的 gate-up 和 down 投影权重(这些是 nn.Parameter 类型)all_model_parameters.extend(moe_expert_gate_up_proj)all_model_parameters.extend(moe_expert_down_proj)
# 添加共享专家网络的线性层权重for i in range(n_layers): all_model_parameters.extend(list(shared_expert_gate_proj[i].parameters())) all_model_parameters.extend(list(shared_expert_up_proj[i].parameters())) all_model_parameters.extend(list(shared_expert_down_proj[i].parameters()))
# 添加最终输出线性层的权重all_model_parameters.extend(list(output_linear_layer.parameters()))
# 统计参数数量num_param_groups = len(all_model_parameters) # 参数张量总数total_params = sum(p.numel() for p in all_model_parameters if p.requires_grad) # 可训练参数总数
# 定义 AdamW 优化器optimizer = optim.AdamW(all_model_parameters, lr=learning_rate)
# 打印优化器配置print("Optimizer Setup:")print(f" Optimizer: {type(optimizer).__name__}")print(f" Learning Rate: {learning_rate}")print(f" Managing {num_param_groups} parameter groups/tensors.")print(f" Total Trainable Parameters: {total_params:,}")
运行上述代码后,我们成功地将模型中所有参与训练的参数(共43个独立张量)交由AdamW优化器统一管理。这些张量涵盖了模型的核心结构,包括注意力模块、RMSNorm、MoE路由与专家网络等关键部分。
最终统计结果显示,模型的总可训练参数量约为224万个,这对于一个用于研究的小型语言模型来说,已经具备了完整的Transformer架构特征,足以支持在有限资源下开展调试与实验。

(二)定义损失函数(Loss Function)
在训练神经网络时,我们需要一个损失函数来衡量模型预测与真实目标之间的误差。我们的任务是从词表中选出正确的下一个token,本质上属于多分类问题,因此我们选用最常见的分类损失函数:交叉熵损失(Cross-Entropy Loss)。
交叉熵损失的输入包括两个部分:
- 模型输出的****logits:表示每个词在词表中被预测到的原始得分;
- 实际的目标token ID:也就是训练数据中提供的正确答案。
交叉熵函数会自动将logits转换为概率分布(通过softmax),然后计算预测概率与实际答案之间的差异,输出一个标量,表示当前模型的预测误差。
我们可以这样在代码中定义损失函数:
# 定义损失函数criterion = nn.CrossEntropyLoss()
我们初始化了PyTorch提供的nn.CrossEntropyLoss,这是专门用于多分类任务的标准损失函数对象。后续的训练过程中,每当模型输出一个batch的预测结果时,我们就使用criterion来计算损失值,并据此进行梯度反向传播和参数更新。
随着训练不断进行,通过最小化交叉熵损失,模型将逐步提升对下一个token的预测能力,从而更好地学习语言模式与上下文关系。
(三)构建训练循环
完成损失函数与优化器的定义后,我们正式进入模型训练阶段。
训练的核心流程可以概括为:反复将数据送入模型→计算损失→反向传播梯度→使用优化器更新参数。在这一阶段,之前构建的所有模块——包括词嵌入、注意力机制、MoE结构、损失函数与优化器——将协同完成一次完整的前向与反向传播。
整个训练过程在一个固定的epoch内重复进行。每轮训练的基本逻辑如下:
- 从数据集中取出一个batch;
- 将输入送入模型,执行前向传播,得到预测输出;
- 使用损失函数(如交叉熵)计算模型输出与目标标签之间的误差;
- 清空上一轮梯度,避免梯度累加,执行反向传播,根据当前损失计算梯度;
- 调用优化器更新模型权重;
- 记录或打印训练过程中的损失指标。
该循环过程会不断迭代,使模型在训练数据集上逐步拟合,提高下一个token的预测能力。
print(f"\n--- Starting Training Loop for {epochs} epochs ---")
losses = []
for epoch in range(epochs): # 随机采样一个batch的训练样本 xb, yb = train_x[torch.randint(0, num_sequences_available, (batch_size,))].to(device), \ train_y[torch.randint(0, num_sequences_available, (batch_size,))].to(device)
# 输入token转词嵌入 token_embed = token_embedding_table(xb) # 生成RoPE编码频率 position_ids = torch.arange(xb.shape[1], device=device).unsqueeze(0) freqs = torch.einsum('i,j->ij', position_ids[0].float(), inv_freq) # [block_size, d_k//2] freqs_cis = torch.polar(torch.ones_like(freqs), freqs) # [block_size, d_k//2] freqs_cis = freqs_cis.unsqueeze(0).unsqueeze(2) # [1, block_size, 1, d_k//2]
x = token_embed for i in range(n_layers): # RMSNorm均方根归一化 x_norm = (x.float() * torch.rsqrt(x.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * rmsnorm_weights_input[i]
# 多头注意力QKV线性映射 qkv = mha_qkv_linears[i](x_norm).view(xb.shape[0], xb.shape[1], n_heads, 3 * d_k).chunk(3, dim=-1) q, k, v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]
# RoPE旋转位置编码 q_rope = q.float().reshape(xb.shape[0], xb.shape[1], n_heads, -1, 2) k_rope = k.float().reshape(xb.shape[0], xb.shape[1], n_heads, -1, 2) q = torch.view_as_real(torch.view_as_complex(q_rope) * freqs_cis.unsqueeze(2)).flatten(3) k = torch.view_as_real(torch.view_as_complex(k_rope) * freqs_cis.unsqueeze(2)).flatten(3) q = q.permute(0, 2, 1, 3) # (B, H, T, D) k = k.permute(0, 2, 1, 3) v = v.permute(0, 2, 1, 3) # 注意力分数与加权输出 attn_scores = (q @ k.transpose(-2, -1)) * (d_k ** -0.5) attn_scores = attn_scores.masked_fill(causal_mask[:,:,:xb.shape[1],:xb.shape[1]] == 0, float('-inf')) attention_weights = F.softmax(attn_scores, dim=-1) attn_output = attention_weights @ v
# 添加残差连接 x = x + mha_output_linears[i](attn_output.permute(0, 2, 1, 3).contiguous().view(xb.shape[0], xb.shape[1], d_model))
# 第二个RMSNorm + MoE路由器 x_norm = (x.float() * torch.rsqrt(x.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * rmsnorm_weights_post_attn[i] router_logits = moe_routers[i](x_norm) routing_weights = torch.sigmoid(torch.topk(router_logits, num_experts_per_tok, dim=-1)[0]) selected_experts = torch.topk(router_logits, num_experts_per_tok, dim=-1)[1]
# 整理专家输入 x_flat = x_norm.view(-1, d_model) selected_experts_flat = selected_experts.view(-1) routing_weights_flat = routing_weights.view(-1) token_idx = torch.arange(xb.shape[0] * xb.shape[1], device=device).repeat_interleave(num_experts_per_tok) expert_inputs = x_flat[token_idx]
# 专家网络前向 + 激活 gate_up_states = torch.bmm(expert_inputs.unsqueeze(1), moe_expert_gate_up_proj[i][selected_experts_flat]) activated_states = activation_fn(gate_up_states.chunk(2, dim=-1)[0]) * gate_up_states.chunk(2, dim=-1)[1] expert_outputs_weighted = torch.bmm(activated_states, moe_expert_down_proj[i][selected_experts_flat]).squeeze(1) * \ routing_weights_flat.unsqueeze(-1)
# 聚合专家输出 combined_expert_outputs = torch.zeros_like(x_flat) combined_expert_outputs.scatter_add_(0, token_idx.unsqueeze(-1).expand(-1, d_model), expert_outputs_weighted)
# 添加共享专家模块输出 shared_output = shared_expert_down_proj[i]( activation_fn(shared_expert_gate_proj[i](x_norm)) * shared_expert_up_proj[i](x_norm))
# 添加残差连接 x = x + combined_expert_outputs.view(xb.shape[0], xb.shape[1], d_model) + shared_output
# 输出层与最终 RMSNorm logits = output_linear_layer((x.float() * torch.rsqrt(x.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * final_rmsnorm_weight)
# 计算损失 loss = criterion(logits.view(-1, logits.shape[-1]), yb.view(-1))
# 反向传播与优化器更新 optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step()
# 记录损失 losses.append(loss.item()) if epoch % eval_interval == 0 or epoch == epochs - 1: print(f" Epoch {epoch+1}/{epochs}, Loss: {loss.item():.4f}")
print("--- Training Loop Completed ---")
# 可视化损失曲线try: import matplotlib.pyplot as plt plt.plot(losses) plt.title("Training Loss Over Epochs") plt.xlabel("Epoch") plt.ylabel("Loss") plt.show()except ImportError: print("Matplotlib not found, skipping loss plot.")
训练开始后,终端会定期打印当前轮次的损失:
--- Starting Training Loop for 3000 epochs ---Epoch 1/3000, Loss: 3.6960Epoch 301/3000, Loss: 0.0820Epoch 601/3000, Loss: 0.0750Epoch 901/3000, Loss: 0.0533Epoch 1201/3000, Loss: 0.0612Epoch 1501/3000, Loss: 0.0580Epoch 1801/3000, Loss: 0.0576Epoch 2101/3000, Loss: 0.0532Epoch 2401/3000, Loss: 0.0610Epoch 2701/3000, Loss: 0.0612Epoch 3000/3000, Loss: 0.0547--- Training Completed ---
在训练的初期,模型的损失值通常较高,模型尚未掌握数据中的语言模式。随着训练的推进,损失迅速下降,并最终在0.05~0.07区间内稳定下来,这说明模型正在逐步****学习字符间的语言规律,对下一个字符的预测能力不断增强。
整体来看,本实验中的多个关键模块——如MoE路由机制、RMSNorm归一化层、RoPE相对位置编码等,协同效果良好,训练过程稳定,模型表现出良好的收敛性与可训练性。
(四)保存模型状态
经过较长时间的训练后,我们需要将模型参数保存到本地,以便后续加载、评估或继续训练,从而避免重复训练浪费资源。
保存模型的代码如下:
import osimport torch
# 创建保存目录(如果不存在)save_dir = 'models'os.makedirs(save_dir, exist_ok=True)save_path = os.path.join(save_dir, 'llama4_moe_model.pt')
# 手动收集所有模型信息到一个字典model_state = { # 配置参数 'config': { 'vocab_size': vocab_size, 'd_model': d_model, 'n_layers': n_layers, 'n_heads': n_heads, 'block_size': block_size, 'rms_norm_eps': rms_norm_eps, 'rope_theta': rope_theta, 'num_local_experts': num_local_experts, 'num_experts_per_tok': num_experts_per_tok, 'intermediate_size_expert': intermediate_size_expert, 'intermediate_size_shared': intermediate_size_shared }, # 分词器映射 'tokenizer': { 'char_to_int': char_to_int, 'int_to_char': int_to_char }, # 模型权重(nn.Module 的 state_dict,nn.Parameter 的张量) 'token_embedding_table': token_embedding_table.state_dict(), 'rmsnorm_weights_input': rmsnorm_weights_input, # 参数列表 'rmsnorm_weights_post_attn': rmsnorm_weights_post_attn, 'final_rmsnorm_weight': final_rmsnorm_weight, 'mha_qkv_linears': [l.state_dict() for l in mha_qkv_linears], 'mha_output_linears': [l.state_dict() for l in mha_output_linears], 'moe_routers': [r.state_dict() for r in moe_routers], 'moe_expert_gate_up_proj': moe_expert_gate_up_proj, # 参数列表 'moe_expert_down_proj': moe_expert_down_proj, 'shared_expert_gate_proj': [l.state_dict() for l in shared_expert_gate_proj], 'shared_expert_up_proj': [l.state_dict() for l in shared_expert_up_proj], 'shared_expert_down_proj': [l.state_dict() for l in shared_expert_down_proj], 'output_linear_layer': output_linear_layer.state_dict(), # 注意:RoPE 的 inv_freq 不保存,因为它可以从配置中推导}
# 保存字典为文件torch.save(model_state, save_path)
print(f"Model state saved successfully to '{save_path}'")
通过这种方式,我们可以在任何时候加载模型进行推理、微调或恢复中断的训练,极大提高了训练效率和模型可复用性。
二、文本生成
模型已经训练完成,现在是时候让它展现语言能力,写点东西了!
(一)生成流程概览
我们将提供一段短文本作为种子提示(seed text),让模型基于这段内容生成后续字符,完成一个简短的文本续写任务。
文本生成的核心流程如下:
- 准备提示文本:将起始字符串(如"Alice")转换为对应的token ID;
- 设置生成长度:定义希望模型生成多少个字符;
- 设置评估模式:将各组件设置为eval模式,关闭dropout等训练机制;
- 关闭梯度追踪:使用
torch.no_grad(),避免记录计算图,提高生成速度。
print("\n--- Step 7: Text Generation ---")
# --- 生成参数配置 ---seed_chars = "Alice " # 起始提示文本num_tokens_to_generate = 200 # 要生成的新字符数print(f"Seed text: '{seed_chars}'")print(f"Generating {num_tokens_to_generate} new tokens...")
# --- 准备初始上下文 ---# 将提示字符转换为token IDseed_ids = [char_to_int[ch] for ch in seed_chars if ch in char_to_int]# 转换为张量,并添加batch维度generated_sequence = torch.tensor([seed_ids], dtype=torch.long, device=device)print(f"Initial context shape: {generated_sequence.shape}")
# --- 设置模型组件为评估模式 ---# 虽然我们模型中未使用Dropout,仍建议设置eval模式,保持输出一致性def set_model_eval(): token_embedding_table.eval() output_linear_layer.eval() for i in range(n_layers): mha_qkv_linears[i].eval() mha_output_linears[i].eval() moe_routers[i].eval() shared_expert_gate_proj[i].eval() shared_expert_up_proj[i].eval() shared_expert_down_proj[i].eval()
set_model_eval()print("Model components set to evaluation mode (where applicable).")
(二)逐Token生成过程
接下来,我们正式开始文本生成。
我们采用逐Token生成的方式:每次根据已有上下文,预测下一个字符,然后将其添加到生成序列中,反复进行直到达到指定长度。
每轮生成的基本逻辑如下:
- 截取上下文
我们从当前序列中取出最近的block_size个token,作为模型可接受的最大上下文长度输入。 - 前向传播
将这些token输入模型,得到输出logits(每个token在词表上的预测得分); - softmax转概率分布
对logits最后一个位置应用softmax,获得词表中每个token的预测概率; - 采样下一个token
根据概率分布,从词表中采样(sampling)一个 token; - 追加到生成序列
将新生成的token添加到已有序列中,进入下一轮生成。
重复上述过程,直到生成出预设数量的 token 为止。
模型组件调用说明:
嵌入层→RoPE位置编码→多层Attention+MoE→输出线性层→softmax→采样下一个token。
为确保生成过程稳定高效,我们使用使用torch.no_grad()禁用梯度计算,提高生成速度。
print("Starting generation loop...")
with torch.no_grad(): for _ in range(num_tokens_to_generate): # 获取当前上下文(限制block_size长度) current_context = generated_sequence[:, -block_size:] B_gen, T_gen = current_context.shape
# 嵌入与 RoPE 编码 token_embed_gen = token_embedding_table(current_context) position_ids_gen = torch.arange(T_gen, device=device).unsqueeze(0) freqs = torch.einsum('i,j->ij', position_ids_gen[0].float(), inv_freq) freqs_cis = torch.polar(torch.ones_like(freqs), freqs) freqs_cis = freqs_cis.unsqueeze(0).unsqueeze(2) x_gen = token_embed_gen
for i in range(n_layers): # RMSNorm + 多头注意力 x_norm_gen = (x_gen.float() * torch.rsqrt(x_gen.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * rmsnorm_weights_input[i] qkv_gen = mha_qkv_linears[i](x_norm_gen).view(B_gen, T_gen, n_heads, 3 * d_k).chunk(3, dim=-1) q_rotated_gen = torch.view_as_real(torch.view_as_complex(qkv_gen[0].reshape(B_gen, T_gen, n_heads, -1, 2)) * freqs_gen.unsqueeze(2)) k_rotated_gen = torch.view_as_real(torch.view_as_complex(qkv_gen[1].reshape(B_gen, T_gen, n_heads, -1, 2)) * freqs_gen.unsqueeze(2))
# 注意力输出 v_gen = qkv_gen[2].permute(0, 2, 1, 3) # 不进行RoPE旋转 attn_scores = (q_rotated_gen.permute(0, 2, 1, 3) @ k_rotated_gen.permute(0, 2, 1, 3).transpose(-2, -1)) * (d_k ** -0.5) attn_weights = F.softmax(attn_scores, dim=-1) attn_output_gen = attn_weights @ v_gen
x_gen = x_gen + mha_output_linears[i](attn_output_gen)
# MoE 模块 x_norm_gen = (x_gen.float() * torch.rsqrt(x_gen.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * rmsnorm_weights_post_attn[i] router_logits_gen = moe_routers[i](x_norm_gen) topk_weights_gen = torch.sigmoid(torch.topk(router_logits_gen, num_experts_per_tok, dim=-1)[0]) topk_indices_gen = torch.topk(router_logits_gen, num_experts_per_tok, dim=-1)[1]
moe_input = x_norm_gen.view(-1, d_model) selected_experts = moe_expert_gate_up_proj[i][topk_indices_gen] gate_up = torch.bmm(moe_input.unsqueeze(1), selected_experts).squeeze(1) activated = activation_fn(gate_up.chunk(2, dim=-1)[0]) * gate_up.chunk(2, dim=-1)[1] moe_output = torch.bmm(activated.unsqueeze(1), moe_expert_down_proj[i][topk_indices_gen]).squeeze(1) * topk_weights_gen.view(-1, 1)
# 残差 + MoE + 共享专家 x_gen = x_gen + moe_output.view(B_gen, T_gen, d_model) + \ shared_expert_down_proj[i]( activation_fn(shared_expert_gate_proj[i](x_norm_gen)) * shared_expert_up_proj[i](x_norm_gen))
# 输出层 logits_gen = output_linear_layer( (x_gen.float() * torch.rsqrt(x_gen.float().pow(2).mean(-1, keepdim=True) + rms_norm_eps)) * final_rmsnorm_weight )
# softmax 采样下一个 token next_token = torch.multinomial(F.softmax(logits_gen[:, -1, :], dim=-1), num_samples=1)
# 拼接到生成序列中 generated_sequence = torch.cat((generated_sequence, next_token), dim=1)
print("...Generation loop finished.")
文本生成过程将以你设定的步数(例如200次)为循环次数,每次迭代,模型会预测并生成一个新字符,逐步扩展输出文本。
(三)解码生成结果
经过前面的逐步推理,我们得到一个名为generated_sequence的张量,它包含:
- 种子文本的token ID(如
"Alice "对应的6个ID); - 模型生成的200个新token ID。
为了获得最终的可读文本,我们需要将这些 ID 还原成对应的字符。我们使用训练前构建好的int_to_char映射表,将每一个token ID映射回对应的字符,然后将所有字符拼接成一个完整的字符串,展示模型的最终创作。
# 获取生成序列中的第一个(也是唯一一个)样本final_generated_ids = generated_sequence[0].tolist()
# 将 token ID 序列解码为字符串decoded_text = ''.join([int_to_char.get(id_val, '[UNK]') for id_val in final_generated_ids])
print("\n--- Final Generated Text ---")print(decoded_text)
从最终的生成结果来看,模型的表现非常令人满意。
Alice was beginning to get very tired of sitting by her sister on thebank, and of having nothing to do: once or twice she had peeped into thebook her sister was reading, but it had no pictures or conversa
模型自然地生成了完整的英文句子结构,不仅延续了原始文本的风格与词汇,还成功生成了词语、短语,合理使用了标点符号,展现出良好的句式结构。尽管我们使用的是一个相对较小的模型,引入****MoE机制,依然能够有效学习训练数据中的语言模式,具备基本的文本生成能力。
由于训练语料规模有限,且内容存在一定重复性,模型还不具备创造性生成的能力,难以做到“天马行空”式的自由创作。但这在预期之内——我们的目标是搭建和验证一个可运行的字符级语言模型生成框架,而非训练一个高质量的通用生成模型。
四、总结与未来方向
在本项目中,我们完整实现了一个从零搭建到可用的LLaMA4风格字符级语言模型,覆盖了模型设计、训练流程与文本生成的全链路。
首先,在架构搭建阶段,基于Transformer核心结构,结合RMSNorm、RoPE相对位置编码与Mixture of Experts(MoE)机制,构建了多路专家路由和层内并行的高效网络架构,提升了模型表达力与计算弹性。
接着,在数据准备阶段,采用字符级分词策略,通过滑动窗口方式生成训练样本,实现了适合自回归任务的输入与目标配对格式。
随后,在模型初始化阶段,系统搭建了词嵌入、多头注意力、MoE专家网络及共享专家模块,完成权重张量的初始化,为训练做好充分准备。
进入训练循环阶段,实现了前向传播、RMSNorm归一化、多头注意力计算、专家激活与聚合,以及损失计算、反向传播和参数更新,确保模型有效学习语言规律。
最后,在文本生成阶段,模型切换评估模式,采用自回归采样方法,基于上下文连续预测新字符,实现了连贯合理的文本自动续写。
通过上述清晰的流程,我们复现了带有MoE 结构的Transformer训练与推理过程,也为后续模型优化与任务扩展奠定了坚实基础。
最后
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