必存！大语言模型深度拆解：从Transformer架构到GPT模型的全景指南

最新推荐文章于 2025-12-01 18:45:00 发布

原创最新推荐文章于 2025-12-01 18:45:00 发布 · 1k 阅读

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如今，几乎所有主流大语言模型（LLM，Large Language Model）的技术根基，都源自2017年Google团队发表的经典论文《Attention Is All You Need》（注意力就是一切）中提出的Transformer架构。而像GPT（Generative Pre-trained Transformer，生成式预训练Transformer）这类广泛应用的模型，则在训练流程上创新采用了“预训练+微调”的核心范式，由此构建出当代最具影响力的生成式AI模型家族。

值得注意的是，多模态（Multimodal） 已成为大模型领域的重要发展方向，其目标是让模型突破单一文本的限制，实现对图像、音频、视频等多种信息形式的协同处理。尽管本文聚焦于文本类大模型的基础原理，但这些底层机制（如注意力计算、向量映射）并非文本专属——在多模态模型中，它们或被直接复用，或经过扩展后适配跨模态场景，例如将图像转化为视觉向量后，与文本向量通过注意力机制融合。

此外，人工智能体（Artificial Intelligence Agent） 是基于大模型的高级应用形态：它不再局限于“聊天问答”或“提供建议”，而是以大模型为核心执行器，代替人类完成具体事务。比如自动规划旅行行程并预订机票酒店、根据需求生成代码并部署可运行的网站、批量创作自媒体内容并定时发布等。这类应用虽看似与底层模型差异较大，但本质上仍高度依赖大模型提供的语义理解、逻辑推理能力及开放接口。

1、大模型的本质

从产品形态来看，我们日常接触的豆包、DeepSeek、元宝等应用，或是基于这些应用背后模型开发的API接口，都是大语言模型产品的不同呈现形式。以DeepSeek的API为例，其典型交互逻辑如下：


{
    "model": "deepseek-chat",
    "messages": [
        {
            "role": "system",
            "content": "你是一个相声捧哏，请你不要让话掉在地上。"
        },
        {
            "role": "user",
            "content": "被门夹过的核桃，还能补脑吗？"
        }
    ],
    "temperature": 1,
    "stream": false
}


content：（一拍桌子）哎哟，这话说的，您这是跟核桃过不去啊！

一个完整的大语言模型产品，通常遵循“三层架构”设计：

底层：模型核心：承载海量训练参数（从数十亿到万亿级不等），是实现语义理解与生成的基础；
中层：服务框架：负责技术落地的关键支撑，包括计算任务的并行处理、模型参数的分片存储、请求的调度优先级管理、高频结果的缓存优化等，直接影响模型的响应速度与稳定性；
上层：用户界面：是用户与模型交互的入口，可能是网页端、移动端App，也可能是供开发者调用的API接口——对大多数用户而言，日常能接触到的只有这一层。

从物理本质来看，训练完成的大模型并非“神秘黑箱”，而是一组保存在磁盘或内存中的训练优化后矩阵：矩阵中的每个元素都是浮点数，这些数值是模型在训练过程中通过学习数据规律逐步调整得到的“知识载体”。

当我们向模型发送请求时，整个计算流程可简化为三步：

输入转换：将文本（或多模态信号）转化为模型能理解的数值向量；
矩阵交互：通过矩阵乘法、激活函数（如ReLU、GeLU）、归一化等线性代数运算，让输入向量与模型的参数矩阵进行交互，逐步提取并加工信息；
输出映射：将最终得到的向量重新转化为人类可读的文字或标记，形成最终响应。

2、大模型的原理

下图是Transformer架构的核心原理图，若从下往上拆解，可重点关注三个关键模块：输入层（红色）、注意力/语义解析层（橙色） 与 前馈/输出层（蓝色）。这三个模块的协同工作，构成了大模型理解与生成文本的核心逻辑。

1）词元输入：模型“阅读”的基础单位

大模型处理文本的第一步，是将连续的文字分割为离散的词元（Token）——这是模型“阅读”与“理解”的基本单位。例如，句子“我比他更水”会被拆分为“我”→“比”→“他”→“更”→“水”的有序Token序列，且词元的顺序会严格保留（不会出现“他”→“更”→“我”这类乱序情况）。我们常看到的“每百万Token计费”，正是以这种词元的数量作为计量标准。

在Transformer出现之前，大语言模型的主流架构是卷积神经网络（CNN） 与循环神经网络（RNN），但二者存在明显局限：CNN依赖局部窗口捕捉语义关联，无法直接处理长距离的词元关系；RNN虽能按顺序处理序列，但当文本长度达到几百甚至几千Token时，会出现“梯度消失”问题——对早期词元的记忆逐渐减弱，难以捕捉远距离依赖，同时计算效率也会随序列长度增加而大幅下降。

Transformer的自注意力机制则彻底解决了这一痛点：它能让序列中的任意两个词元直接“交互”，无需依赖局部窗口或顺序传递，从而将语义建模的范围扩展到整个输入序列（即模型的上下文窗口长度）。如今，主流模型的上下文窗口已能支持几千甚至几十万Token，意味着模型可同时“阅读”并理解整本书、长文档的完整信息，这是CNN与RNN架构无法实现的突破。

在进入注意力层之前，每个Token还会经过词嵌入（Embedding） 处理：将离散的Token映射到高维向量空间中。在这个空间里，语义越接近的词，对应的向量距离就越近——比如在二维向量示例中，“摸鱼”可能对应(7, 8)，“划水”因语义相近可能对应(7.3, 8.3)，而“打工人”作为相关场景词汇，可能对应(9, 9.6)。

（词嵌入的低维可视化展示，仅呈现部分语义聚类趋势，非实际模型的高维空间分布）

需要说明的是，二维示例仅为便于理解，实际模型的词嵌入维度通常高达数千甚至上万——更高的维度能承载更精细的语义信息，比如区分“水”在“矿泉水”（名词）与“他能力很水”（形容词，表薄弱）中的不同含义。

2）语义解析与内容生成：模型“思考”的核心逻辑

当有序的Token向量输入后，Transformer会为每个Token计算三个关键向量：

Query（Q，查询向量）：代表“当前Token需要获取哪些信息”；
Key（K，键向量）：代表“其他Token能提供哪些信息”；
Value（V，值向量）：代表“其他Token的核心语义内容”。

注意力机制的核心，就是通过计算Query与所有Token的Key的相似度（通常用点积表示），确定当前Token需要“关注”哪些其他Token，再根据相似度权重对这些Token的Value进行加权求和，最终形成当前Token的上下文语义向量。

仍以“我比他更水”为例：当模型处理“水”这个Token时，会通过注意力计算发现“水”的语义与“我”的关联更紧密（描述的是“我”的属性），因此会对“我”的Value赋予更高权重，对“他”的Value赋予较低权重——这一步就实现了模型对“语义关联”的动态捕捉。

在技术实现上，每一层注意力模块的核心是四组矩阵运算：将输入向量分别与Wq（Query矩阵）、Wk（Key矩阵）、Wv（Value矩阵）相乘，得到Q、K、V向量，再通过Wo（输出矩阵）对加权后的Value进行变换，得到最终的注意力输出。这四组矩阵的尺寸均为d_model × d_model（d_model为模型的核心维度，如GPT-3的d_model为12288）。

为了让模型同时捕捉多种类型的语义关系（如语法关系、逻辑关系、场景关系），Transformer还引入了多头注意力（Multi-Head Attention） 设计：将Q、K、V向量分别分割为num_heads个并行的子向量（即“多头”），在每个子空间中独立计算注意力，最后将所有头的结果拼接并通过矩阵变换整合。这种设计能避免模型“钻牛角尖”——比如某一个头专注于捕捉主谓关系，另一个头专注于捕捉因果关系，从而提升模型的语义表达能力与鲁棒性。以d_model=12288、num_heads=64为例，每个头的维度为12288÷64=192，确保每个子空间的计算效率与语义聚焦性。

完成注意力计算后，模型进入前馈神经网络（FFN，Feed Forward Network） 阶段——这是模型“生成内容”的关键步骤。FFN会对每个Token的上下文语义向量进行逐位置的非线性变换：先将向量维度从d_model提升到d_ff（通常为d_model的4倍，如GPT-3的d_ff=49152），在高维空间中进行复杂的信息组合与语义推理（比如判断“水”在当前语境中是名词还是形容词、是否带有贬义），再将维度降回d_model。这一步的核心作用，是将注意力捕捉到的“语义关联”转化为“可生成的内容逻辑”——比如模型通过FFN推理出“‘水’在这里形容能力薄弱，且主语是‘我’”，为后续生成合适的文本奠定基础。

上述“注意力模块+FFN模块”会被重复堆叠N层（主流模型的N常为24、48甚至96层），形成深度神经网络。层数越多，模型能处理的语义复杂度越高——比如处理法律条文、数学证明这类需要多层逻辑推理的文本，就需要更多的网络层来逐步拆解语义。

3）结果输出：从“数值向量”到“人类语言”

经过所有网络层的计算后，模型得到的仍是一组“数值向量”——每个位置的向量对应一个候选Token的“得分”。要将其转化为人类可读的文本，还需两步关键处理：

线性变换（Linear）：将每个位置的向量映射到“所有候选Token的集合”（即模型的词表），得到每个Token的原始得分；
归一化（Softmax）：将原始得分转化为0-1之间的概率分布，确保所有Token的概率和为1。

之后，模型会按照概率从高到低选择Token——通常会选择概率最高的Token作为当前输出，再将该Token加入上下文，继续预测下一个Token，直到生成完整的句子或达到预设长度。这就是我们常说的“大模型通过预测下一个词生成文本”的本质：每一步生成都基于当前上下文的概率分布，是一种“动态、逐词的概率选择过程”。

理解了Transformer的架构后，一个关键问题随之而来：大模型的参数量是如何计算的？

参数量的核心来源是各层的权重矩阵，我们以GPT-3（d_model=12288，N=96层）为例拆解：

注意力模块的参数量：每个注意力层包含Wq、Wk、Wv、Wo四组矩阵，每组尺寸为d_model×d_model，因此单一层注意力模块的参数量约为4×d_model²。代入d_model=12288，单一层注意力参数量约为4×(12288)²≈5.97×10⁸。
FFN模块的参数量：FFN包含两组矩阵（维度提升矩阵与维度降低矩阵），尺寸分别为d_model×d_ff与d_ff×d_model，总参数量约为2×d_model×d_ff。若d_ff=4×d_model（主流设计），则参数量约为8×d_model²。代入d_model=12288，单一层FFN参数量约为8×(12288)²≈1.19×10⁹。

由此可计算出单一层的总参数量约为4×d_model² + 8×d_model² = 12×d_model²，代入d_model=12288，单一层参数量约为1.79×10⁹。

再乘以总层数N=96，得到核心参数量约为12×(12288)²×96≈1.739×10¹¹（即1739.5亿）。加上词嵌入层、归一化层、偏置项等少量辅助参数后，总参数量就与GPT-3的实际规模（1750亿）基本一致。这一计算方式也适用于其他基于Transformer的模型，只需替换d_model、N、d_ff等参数即可估算参数量。

3、大模型的训练

确定了架构与参数量后，训练的核心目标就是通过数据“优化”这些矩阵中的数值，让模型学会理解与生成文本。GPT系列模型的训练流程通常分为三步，且各步骤的目标与数据类型各有侧重：

第一步：预训练（Pre-training）——让模型“广泛识字”

预训练是模型的“基础学习阶段”，通常采用自监督学习（Self-supervised Learning） 方式：无需人工标注数据，而是从大规模未标注文本语料（如书籍、网页、论文等）中自动构造“学习任务”。最常见的任务是“掩码语言模型（MLM）”——随机遮盖文本中的部分Token，让模型根据上下文预测被遮盖的Token；或是“下一句预测（NSP）”——让模型判断两句话是否为连续的上下文。

这种学习方式的核心优势是“数据成本低”：无需人工标注，可利用互联网上的海量文本；同时能让模型学习到通用的语言规律、常识知识与逻辑结构，为后续专项任务打下基础。需要注意的是，自监督学习常被归入“无监督学习”范畴，但二者存在细微差异：自监督学习是通过“构造伪标签”（如被遮盖的Token）实现监督信号，而传统无监督学习更侧重“聚类”“降维”等无标签任务。

第二步：指令微调（Instruction Fine-tuning）——让模型“听懂指令”

预训练后的模型虽具备通用语言能力，但在“理解人类指令、完成特定任务”上表现不佳（比如用户说“写一封请假条”，模型可能输出无关文本）。指令微调的目标就是解决这一问题：使用高质量的人工标注指令数据（如“指令：总结下文；输入：xxx；输出：xxx”“指令：翻译英文句子；输入：xxx；输出：xxx”），让模型学习“指令-输入-输出”的对应关系，从而能根据人类的自然语言指令执行专项任务（如总结、翻译、写作）。

这一步的关键是“数据质量”——标注数据需覆盖多种任务类型，且指令描述清晰、输出结果准确，才能让模型形成“听懂指令、精准响应”的能力。

第三步：人类反馈强化学习（RLHF）——让模型“符合人类偏好”

经过指令微调的模型虽能执行任务，但输出结果可能不符合人类的价值观或偏好（比如回答冗长、语气生硬，甚至出现不当内容）。RLHF的目标就是通过“人类反馈”优化模型输出：

收集人类偏好数据：让人类标注者对模型的多个输出进行排序或评分（如“输出A更简洁”“输出B更礼貌”）；
训练奖励模型（RM）：用这些偏好数据训练一个“奖励模型”，让模型能自动判断“哪些输出更符合人类偏好”；
强化学习微调：以奖励模型的评分作为“奖励信号”，用强化学习算法（如PPO）对基础模型进行再次微调，让模型在生成文本时主动追求更高的奖励分数，从而输出更符合人类偏好、更安全的内容。

除了上述三步核心流程，蒸馏学习（Knowledge Distillation） 也是常用的模型优化技术：当大模型（教师模型）参数量过大、部署成本过高时，可通过蒸馏学习让小模型（学生模型）“模仿”大模型的输出分布与决策逻辑——比如让小模型学习大模型对每个Token的概率预测结果，或是复现大模型的语义向量表示。这种方式能在大幅降低参数量（如从百亿级降至十亿级甚至亿级）的同时，尽量保留大模型的核心性能，因此成为手机端、嵌入式设备等“轻量场景”的关键技术。市面上很多Mini、Nano版本的模型（如Llama 2 Nano、GPT-3 Mini），都是通过蒸馏技术从更大模型衍生而来。

对于个人开发者或中小型团队而言，从头训练千亿级大模型的成本（计算资源、数据储备、时间成本）难以承受，因此**“基于开源预训练模型做微调”** 成为更现实的选择：先下载开源的基础模型（如Llama 3、Qwen等），再用自有领域的数据（如医疗文献、法律条文、企业内部文档）进行指令微调或领域微调。这种方式能以较低成本让模型适配特定场景（如医疗问诊、法律咨询），在资源有限的情况下实现“定制化性能提升”。

4、大模型的调用

当训练好的模型完成部署后，就进入了推理阶段——即模型接收用户请求、生成响应的实时过程。这一阶段的核心挑战是“如何在有限资源下高效运行”：由于大模型参数量动辄数十亿甚至千亿，单张GPU往往无法容纳全部参数，且实时请求的高并发需求（如同时有成千上万用户提问）也对计算效率提出了极高要求。

为解决这些问题，工程实践中会采用多种优化策略：

模型并行：将模型的不同层或不同注意力头分配到多块GPU上，避免单卡内存不足；
数据并行：将批量请求拆分为多个子批量，分配到多块GPU同时计算，提升吞吐率；
流水线并行：将推理过程拆分为“输入处理→注意力计算→FFN计算→输出映射”等多个阶段，让多块GPU按流水线顺序协同工作，减少空闲时间；
量化与压缩：将模型参数从32位浮点数（FP32）压缩为16位（FP16）、8位（INT8）甚至4位（INT4），在可接受的性能损失范围内，大幅降低内存占用与计算量；
缓存优化：对高频请求的结果（如常见问题的回答）进行缓存，避免重复计算，减少响应延迟。

这些技术的组合应用，让大模型得以在实际场景中落地——比如我们日常使用的聊天机器人，背后可能是由数十块GPU组成的分布式集群在实时处理请求，而用户感知到的“秒级响应”，正是这些工程优化的直接成果。

5、如何学习大模型 AI ？

由于新岗位的生产效率，要优于被取代岗位的生产效率，所以实际上整个社会的生产效率是提升的。

但是具体到个人，只能说是：

“最先掌握AI的人，将会比较晚掌握AI的人有竞争优势”。

这句话，放在计算机、互联网、移动互联网的开局时期，都是一样的道理。

我在一线互联网企业工作十余年里，指导过不少同行后辈。帮助很多人得到了学习和成长。

我意识到有很多经验和知识值得分享给大家，也可以通过我们的能力和经验解答大家在人工智能学习中的很多困惑，所以在工作繁忙的情况下还是坚持各种整理和分享。但苦于知识传播途径有限，很多互联网行业朋友无法获得正确的资料得到学习提升，故此将并将重要的AI大模型资料包括AI大模型入门学习思维导图、精品AI大模型学习书籍手册、视频教程、实战学习等录播视频免费分享出来。

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