AI大模型开发原理篇-9：GPT模型的概念和基本结构

基本概念

生成式预训练模型 GPT（Generative Pre-trained Transformer）模型 是由 OpenAI 开发的基于 Transformer 架构的自然语言处理（NLP）模型，专门用于文本生成任务。它的设计理念在于通过大规模的预训练来学习语言模型，然后通过微调来适应特定任务。；GPT是生成式语言模型
。我们一路以来讲的N-Gram、Word2Vec、NPLM和Seq2Seq预测的都是下一个词，其本质都是生成式语言模型。

GPT架构概述（只使用解码器）

1. 输入嵌入：输入的文本（如一句话）首先通过词嵌入层转换为向量，然后加上位置编码，以保留单词的顺序信息。

2. 解码器堆叠：GPT使用多个解码器层进行堆叠。每个解码器层都会处理前一层的输出，并在此基础上生成更高层次的表示。

3. 生成下一个词：解码器的输出通过softmax层转换为词汇表中每个词的概率分布，选择最大概率的词作为下一个生成的词。

GPT的基本结构

GPT模型的核心基于Transformer架构，具体来说，它使用了Transformer的解码器部分。Transformer本身由编码器（Encoder）和解码器（Decoder）组成，但GPT只采用了解码器。GPT模型的主要组件包括：

1 输入嵌入（Input Embedding）

• 任何输入的文本（例如一个句子）都会先通过一个词嵌入层（Word Embedding Layer），将每个单词转换成一个固定维度的向量。
• 这个向量通常是高维的，以捕捉词汇的语义信息。

2 位置编码（Positional Encoding）

由于Transformer没有顺序处理的特点，它通过位置编码来为每个词添加位置信息。位置编码是一个与词嵌入相加的向量，它告诉模型一个词在句子中的相对位置。

• 位置编码的设计方式是基于正弦和余弦函数的。
• GPT将每个词的嵌入向量与位置编码向量相加，以便模型能够理解文本中词汇的顺序。

3 多头自注意力机制（Multi-head Self-Attention）

自注意力机制是Transformer的关键特性，它允许模型在处理每个词时考虑序列中所有其他词的关系。具体来说：

• 对于每个词，模型计算其与其他词的相关性（注意力权重），并根据这些权重重新加权每个词的表示。
• 多头注意力将自注意力机制分成多个“头”，每个头在不同的子空间中计算注意力权重，能够捕捉到多种不同的语义信息。
• 通过将多个注意力头的结果拼接起来，模型能够获得更丰富的上下文信息。

4 前馈神经网络（Feed-forward Neural Network）

每个Transformer解码器层中都包含一个前馈神经网络，它对每个位置的词向量进行独立的变换。这个网络包含两个线性层和一个激活函数，通常是ReLU或GELU。

• 第一层将输入的向量投影到一个更大的空间，接着应用激活函数，再通过第二层将其投影回原来的维度。

5 层归一化（Layer Normalization）

每个自注意力和前馈网络的输出都通过层归一化，这有助于加速训练，并减少梯度爆炸或消失的问题。

• 层归一化通过对每一层的输出进行标准化，使得模型的训练过程更加稳定。

6 输出层（Output Layer）

在模型的最终输出层，GPT会使用softmax函数来将模型的输出（通常是一个向量）转换成词汇表中所有词的概率分布。生成过程依赖于这个概率分布：

• 每次生成时，模型选择概率最高的词作为输出。
• 生成一个词后，这个词会被添加到上下文中，继续生成下一个词。

预训练（Pre-training）与微调（Fine-tuning）

• 预训练：GPT的预训练是通过大量无标签文本数据进行的，目标是通过自回归的方式最大化下一个词的条件概率。
• 微调：在微调阶段，GPT模型根据特定任务（如问答、情感分析等）进行训练，通过监督学习进一步优化模型参数。

GPT的关键组件总结

GPT的关键组件包括：

1. Transformer架构：核心结构，特别是解码器部分。
2. 自回归生成：基于前文生成下一个词，逐步生成文本。
3. 输入嵌入和位置编码：将词汇转化为向量，保留顺序信息。
4. 多层自注意力机制：捕捉词与词之间的全局依赖关系。
5. 前馈神经网络和层归一化：用于提升模型的非线性表达能力和训练稳定性。
6. 输出层和softmax：将模型输出转换为概率分布，生成最终词汇。
7. 损失函数和优化器：通过交叉熵损失优化模型，使得模型能够正确预测下一个词。