二、大模型原理:图文解析Transformer原理与代码

三、大模型原理:图文解析MoE原理 2025年几乎所有领先的大型语言模型都采用了混合专家(Mixture of Experts,简称MOE)架构。从GPT-4到DeepSeek V3,从Llama 4到Grock,这种稀疏激活的架构已经成为构建高性能AI系统的标准方法。 阅读详情

Transformer是很多大模型的基石,也是现在llm面试岗位必考的。
即使是ChatGPT中的"T"也代表着Transformer。以下模型都是Transformer的演变模型(当然每个大模型的Transformer都可能存在差别):
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本文将从原理+实战带你深入理解Transformer

Transformer结构

先放出整体架构,后文的1~4点都是对原件进行深入探讨的。
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从总体上来看
可以将Transformer看为是N个编码结构和N个解码结构的模型,这里的解码/编码结构即为后文解释的 Transformer Block;
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上图的inputs其实是输入的embedding向量+位置编码向量。
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1. Token Embedding:从符号到向量的转换

上一小节我们已经讲述了一句话是如何转为数值表达的,但对于计算机而言仅仅是一个个数值是没有语义信息的。

Token本质上是符号:

  • "Apple"是一个符号
  • "Cat"是一个符号
  • "Run"是一个符号
  • "Jump"是一个符号

虽然我们知道"Run"和"Jump"都是动词,它们在语义上比"Cat"和"Apple"更相近,但从Token的角度看,它们都只是独立的符号,彼此之间没有任何关联。

实现机制:查表法

Transformer中的Token嵌入采用查表法:

  1. 维护一个包含所有可能Token及其对应向量的表格
  2. 对于每个输入Token,在表中查找其对应的向量
  3. 这些向量是模型的可学习参数,在训练过程中自动优化

2. 位置编码:为序列添加位置信息

需要位置编码原因可以回想一下RNN,对RNN而言是用的一套参数。
而Transformer的输入是一起扔给模型的,因此就缺少了先后位置关系,从而使用了位置编码。

假设没有位置编码,同一个Token总是有相同的向量表示,那么模型将会丧失了对上下文的信息保留。例如:

  • “Bank”(银行)在"I went to the bank"中
  • “Bank”(河岸)在"I sit by the river bank"中
    这两个"bank"使用相同的Token Embedding,但含义完全不同,保留了位置信息为下面的多头注意力机制保留了所含有的信息。

位置编码的实现方式

1. 人工设计的位置嵌入

最早的Transformer实现中,位置编码是人工设计的,采用以下方式:
使用正弦和余弦函数为每个位置生成独特的编码
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简单来说就是偶数位为sin,奇数位为cos。

2. 可学习的位置嵌入

位置编码也可以通过训练学习

3. 注意力机制(Attention)

通过注意力机制增加了语义的理解,解决了歧义问题(如"bank"指银行还是河岸)

如果你能记住下面这句话,就记住了注意力的本质:
👉 输入一排词向量 → 为每个词找到重要上下文 → 得到新的词向量
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为每个词找到重要上下文,这部分即是量化了句子中任意两个词条之间的依赖关系。如下图将会去对输入句子做比较,即每个词之间又会对句子中所有词做比较
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注意力机制QKV理解

注意力机制中最重要概念即对下图公式的理解
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经过embedding+位置编码作为输入,我们的对模型的输入是个 [ B , T , d ] [B, T, d] [B,T,d]矩阵。其中批次大小为 B B B,每个序列长度为 T T T,每个词元向量的维度为 d d d,也就是自注意力层接收的输入张量形状就是 [ B , T , d ] [B, T, d] [B,T,d]。
为了简化说明,我们先将B设置为1,也就是单个词元序列作为输入来讲解自注意力的计算过程(见下图),但相同的原理可以很容易地扩展到多个序列组成的批次上。
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QKV创建
可以看到该公式引入了三个矩阵QKV,这些矩阵来自于输入序列中的token向量,经过了三次独立的(线性)投影,形成Q、K和V矩阵。
这
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以输入 [“LLM”, “#s”, “are”, “cool”]为例,每个词通过嵌入层和线性投影后得到Query向量和Key向量。
为了简化,我们假设每个向量是3列组成的(也就是head_size,这是一个由开发者决定的超参数,控制了QKV矩阵的维度,即注意力头大小):

embeddings = [
    [0.1, 0.2, 0.3],  # "LLM"的嵌入
    [0.4, 0.5, 0.6],  # "#s"的嵌入
    [0.7, 0.8, 0.9],  # "are"的嵌入
    [1.0, 1.1, 1.2]   # "cool"的嵌入
]

投影为Query和Key矩阵
现在,我们需要用两个不同的投影矩阵将这些嵌入转换为Query和Key。
假设我们的投影矩阵是:

W_q = [
    [0.1, 0.2, 0.3],
    [0.4, 0.5, 0.6],
    [0.7, 0.8, 0.9]
]

W_k = [
    [0.9, 0.8, 0.7],
    [0.6, 0.5, 0.4],
    [0.3, 0.2, 0.1]
]

计算注意力分数
在对输入进行投影之后,会使用 Key 和 Query 向量来生成注意力分数。词之间与所有前后所有词两两组合,形成一个个词元,对每个词元进行计算注意力分数。专业点来说即是:对于序列中的每一对词元 [ i , j ] [i, j] [i,j],我们都会计算一个注意力分数 a [ i , j ] a[i, j] a[i,j]。注意力分数的取值范围是 [ 0 , 1 ] [0, 1] [0,1],它定量地表示在计算词元 i i i 的新表示时,词元 j j j 应该被考虑的程度。

i(当前词) j(参与加权的词) 计算 含义
0 (“LLM”) 0 (“LLM”) $a[0, 0] = q_0 \cdot k_0$ “LLM” 关注自己多少
1 (“#s”) $a[0, 1] = q_0 \cdot k_1$ “LLM” 关注 “#s” 多少
2 (“are”) $a[0, 2] = q_0 \cdot k_2$ “LLM” 关注 “are” 多少
3 (“cool”) $a[0, 3] = q_0 \cdot k_3$ “LLM” 关注 “cool” 多少
1 (“#s”) 0 (“LLM”) $a[1, 0] = q_1 \cdot k_0$ “#s” 关注 “LLM” 多少
1 (“#s”) $a[1, 1] = q_1 \cdot k_1$ “#s” 关注自己多少
2 (“are”) $a[1, 2] = q_1 \cdot k_2$ “#s” 关注 “are” 多少
3 (“cool”) $a[1, 3] = q_1 \cdot k_3$ “#s” 关注 “cool” 多少
2 (“are”) 0 (“LLM”) $a[2, 0] = q_2 \cdot k_0$ “are” 关注 “LLM” 多少
1 (“#s”) $a[2, 1] = q_2 \cdot k_1$ “are” 关注 “#s” 多少
2 (“are”) $a[2, 2] = q_2 \cdot k_2$ “are” 关注自己多少
3 (“cool”) $a[2, 3] = q_2 \cdot k_3$ “are” 关注 “cool” 多少
3 (“cool”) 0 (“LLM”) $a[3, 0] = q_3 \cdot k_0$ “cool” 关注 “LLM” 多少
1 (“#s”) $a[3, 1] = q_3 \cdot k_1$ “cool” 关注 “#s” 多少
2 (“are”) $a[3, 2] = q_3 \cdot k_2$ “cool” 关注 “are” 多少
3 (“cool”) $a[3, 3] = q_3 \cdot k_3$ “cool” 关注自己多少

实际计算中,我们可以通过将所有的 Query 向量和 Key 向量分别堆叠成两个矩阵

大模型核心概念与技术解析:从Transformer到应用实践 Transformer架构作为现代大模型的核心基础,通过自注意力机制实现了对长文本的全局理解,取代了传统的循环神经网络(RNN)。神经网络作为支撑系统,通过分层结构实现从低级特征到高级语义的自动学习。参数规模决定了模型的记忆能力和计算成本,当参数超过临界点时,模型会展现出零样本学习等涌现能力。这些技术广泛应用于自然语言处理、多模态融合和智能体系统等领域。自注意力机制和位置编码是Transformer的关键创新,而预训练范式和提示工程则优化了模型的训练和应用效率。量化部署技术使得大模型能够在消费级硬件上运行, 阅读详情

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