Transformer架构如何驱动现代大语言模型：深入解析AI核心技术
前言
当我们与GPT、Claude或Gemini等现代大语言模型互动时，我们正在见证一个与人类形成句子过程根本不同的过程。虽然我们自然地构建思想并将它们转化为文字，但大语言模型通过循环转换过程运行。理解这个过程揭示了这些强大系统的能力和局限性。
2026年AI预测：上下文成为关键瓶颈
根据最新的AI发展趋势预测，到2026年，模型本身不会成为瓶颈，而上下文获取将成为关键挑战。随着AI代理从向量存储、会话状态、长期记忆、SQL数据库等拉取数据，找到正确的数据变得困难。错过关键上下文会导致响应崩溃，发送过多信息则会使延迟和成本飙升。因此，上下文引擎作为解决方案应运而生——一个单一的层来存储、索引和提供结构化和非结构化数据，涵盖短期和长期记忆，从而实现更快的响应、更低的成本和更实用的AI应用程序。
Transformer架构的核心组成
现代大多数大语言模型的核心是一种称为Transformer的架构。该架构于2017年引入，是由神经网络层构建的序列预测算法。该架构有三个基本组成部分：
- 嵌入层：将标记转换为数值表示
- 多层Transformer层：进行实际计算的地方
- 输出层：将结果转换回文本
Transformer能够同时处理所有单词，而不是一次处理一个，使它们能够从大量文本数据集中学习并捕捉复杂的单词关系。
详细工作流程解析
第一步：标记化（Tokenization）
在任何计算发生之前，模型必须将文本转换为可处理的形式。这从标记化开始，文本被分解为基本单位称为标记。这些并不总是完整的单词，可能是子词、词片段甚至单个字符。
例如输入："I love transformers!"，分词器可能会将其分解为：["I", " love", " transform", "ers", "!"]。注意"transformers"变成了两个单独的标记。每个词汇表中的唯一标记都被分配一个唯一的整数ID：
- "I" 可能是标记150
- "love" 可能是标记8942
- "transform" 可能是标记3301
- "ers" 可能是标记1847
- "!" 可能是标记254
这些ID是任意标识符，没有固有的关系。标记150和151并不因为数字接近而相似。整体词汇表通常包含50,000到100,000个模型在训练期间学到的唯一标记。
第二步：嵌入（Embedding）
神经网络无法直接处理标记ID，因为它们只是固定的标识符。每个标记ID被映射到一个向量，即一个包含数百或数千个维度的连续数字列表。这些被称为嵌入。
以下是带有五个维度的简化示例（真实模型可能使用768到4096维）：
- 标记"dog"变成 [0.23, -0.67, 0.45, 0.89, -0.12]
- 标记"wolf"变成 [0.25, -0.65, 0.47, 0.91, -0.10]
- 标记"car"变成 [-0.82, 0.34, -0.56, 0.12, 0.78]
注意"dog"和"wolf"具有相似的数字，而"car"完全不同。这创建了一个语义空间，相关概念聚集在一起。
为什么需要多个维度？这是因为如果每个词只有一个数字，我们可能会遇到矛盾。例如：
- "stock" 等于 5.2（金融术语）
- "capital" 等于 5.3（类似的金融术语）
- "rare" 等于 -5.2（反义词：不常见）
- "debt" 等于 -5.3（"capital"的反义词）
现在，"rare"和"debt"都具有相似的负值，暗示它们相关，这毫无意义。数百个维度允许模型在没有这种矛盾的情况下表示复杂的关系。
在这个空间中，我们可以执行数学运算。"king"的嵌入减去"man"再加上"woman"大约等于"queen"。这些关系在训练期间从文本数据中的模式中产生。
第三步：位置编码（Positional Encoding）
Transformer并不天然理解词序。如果没有额外信息，"The dog chased the cat"和"The cat chased the dog"看起来相同，因为两者包含相同的标记。
解决方案是位置嵌入。每个位置都被映射到一个位置向量，就像标记被映射到意义向量一样。
对于出现在第2位的标记"dog"，可能是这样的：
- 词嵌入：[0.23, -0.67, 0.45, 0.89, -0.12]
- 位置2嵌入：[0.05, 0.12, -0.08, 0.03, 0.02]
- 组合（元素级求和）：[0.28, -0.55, 0.37, 0.92, -0.10]
这个组合嵌入捕获了词的意义和使用语境。这也是流向Transformer层的内容。
第四步：注意力机制（Attention Mechanism）
Transformer层实现了注意力机制，这是使这些模型如此强大的关键创新。每个Transformer层对每个标记使用三个组件：查询（queries）、键（keys）和值（values）。我们可以将其视为模糊字典查找，其中模型比较它寻找的内容（查询）与所有可能的答案（键）并返回相应值的加权组合。
让我们看一个具体的例子。考虑句子："The cat sat on the mat because it was comfortable."
当模型处理单词"it"时，它需要确定"it"指代什么。以下是发生的情况：
- 首先，"it"的嵌入生成一个查询向量，本质上询问"我指的是哪个名词？"
- 接下来，此查询与所有先前标记的键进行比较。每次比较产生一个相似度分数。例如：
- "The"（冠词）生成分数：0.05
- "cat"（名词）生成分数：8.3
- "sat"（动词）生成分数：0.2
- "on"（介词）生成分数：0.03
- "the"（冠词）生成分数：0.04
- "mat"（名词）生成分数：4.1
- "because"（连词）生成分数：0.1
- 原始分数然后转换为总和为1.0的注意力权重。例如：
- "cat"接收注意力权重：0.75（75%）
- "mat"接收注意力权重：0.20（20%）
- 所有其他标记：0.05总计（5%合计）
- 最后，模型获取每个标记的值向量并使用这些权重组合它们。例如： 输出 = (0.75 × Value_cat) + (0.20 × Value_mat) + (0.03 × Value_the) + ...
"cat"的值贡献75%，"mat"贡献20%，其他一切几乎被忽略。这个加权组合成为"it"的新表示，捕获了语境理解，即"it"最有可能指代"cat"。
这个注意力过程发生在每个Transformer层中，但每层学会检测不同的模式：
- 早期层学习基本模式，如语法和常见词对。处理"cat"时，这些层可能高度关注"The"，因为它们学会了冠词和其名词相关。
- 中间层学习句子结构和短语间关系。它们可能弄清楚"cat"是"sat"的主语，"on the mat"形成表示位置的介词短语。
- 深层提取抽象含义。它们可能理解这个句子描述物理情况并暗示猫舒适或休息。
每层逐步优化表示。一层的输出成为下一层的输入，每层添加更多语境理解。
重要的是，只有最终Transformer层需要预测实际标记。所有中间层执行相同的注意力操作，但仅转换表示以对下游层更有用。中间层不输出标记预测，而是输出流向下一层的优化向量表示。
这种堆叠多层，每层专精于语言理解的不同方面，是使大语言模型能够捕捉复杂模式并生成连贯文本的原因。
第五步：输出转换
经过所有层流动后，最终向量必须转换为文本。解嵌入层将此向量与每个标记嵌入比较并产生分数。
例如，完成"I love to eat"，解嵌入可能产生：
- "pizza": 65.2
- "tacos": 64.8
- "sushi": 64.1
- "food": 58.3
- "barbeque": 57.9
- "car": -12.4
- "42": -45.8
这些任意分数使用softmax转换为概率：
- "pizza": 28.3%
- "tacos": 24.1%
- "sushi": 18.9%
- "food": 7.2%
- "barbeque": 6.1%
- "car": 0.0001%
- "42": 0.0000001%
得分相似的标记（65.2对比64.8）接收相似的概率（28.3%对比24.1%），而低分标记获得接近零的概率。
模型不选择最高概率标记。相反，它从此分布中随机采样。想象一个轮盘赌轮，每个标记获得与其概率成比例的切片。披萨获得28.3%，塔可获得24.1%，42获得微观切片。
这样随机性的原因是，总是选择特定值如"pizza"会产生重复、不自然的输出。按概率加权的随机采样允许选择"tacos"、"sushi"或"barbeque"，产生多样化、自然的响应。偶尔会选择较低概率标记，导致创造性输出。
生成过程详解
生成过程对每个标记重复。让我们看一个例子，初始提示是"The capital of France."：
循环1：
- 输入：["The", "capital", "of", "France"]
- 通过所有层处理
- 采样："is"（80%）
- 当前输出："The capital of France is"
循环2：
- 输入：["The", "capital", "of", "France", "is"]（包含新标记）
- 通过所有层处理（现在5个标记）
- 采样："Paris"（92%）
- 当前输出："The capital of France is Paris"
循环3：
- 输入：["The", "capital", "of", "France", "is", "Paris"]（6个标记）
- 通过所有层处理
- 采样："."（65%）
- 当前输出："The capital of France is Paris."
循环4：
- 输入：["The", "capital", "of", "France", "is", "Paris", "."]（7个标记）
- 通过所有层处理
- 采样：[EoS]标记（88%）
- 停止循环
- 最终输出："The capital of France is Paris."
[EoS]或序列结束标记发出完成信号。每个循环处理所有先前标记。这就是为什么响应变长时生成会变慢的原因。
这被称为自回归生成，因为每个输出依赖于所有先前输出。如果选择了异常标记（也许在"I love to eat chalk"中"chalk"有0.01%概率），所有后续标记都将受此选择影响。
训练与推理阶段
Transformer流在两个环境中运行：训练和推理。
训练阶段
在训练期间，模型从数十亿文本示例中学习语言模式。它从随机权重开始并逐渐调整它们。以下是训练如何工作的：
- 训练文本："The cat sat on the mat."
- 模型接收："The cat sat on the"
- 具有随机初始权重，模型可能预测：
- "banana": 25%
- "car": 22%
- "mat": 3%（正确答案概率低）
- "elephant": 18%
训练过程计算误差（"mat"应该更高）并使用反向传播调整每个权重：
- "on"和"the"的嵌入被调整
- 所有96层的注意力权重被调整
- 解嵌入层被调整
每次调整都很小（0.245到0.247），但在数十亿示例中累积。在不同语境中看到"sat on the"跟随"mat"数千次后，模型学会此模式。训练在数千GPU上花费数周并花费数百万美元。完成后，权重被冻结。
推理阶段
在推理期间，Transformer使用冻结权重运行：
- 用户查询："Complete this: The cat sat on the"
- 模型使用其学习的权重处理输入并输出："mat"（85%），"floor"（8%），"chair"（3%）。采样"mat"并返回。不发生权重更改。
模型使用了其学习的知识但没有学习任何新内容。对话不会更新模型权重。要教模型新信息，我们需要使用新数据重新训练，这需要大量计算资源。
总结
Transformer架构为理解和生成人类语言提供了优雅的解决方案。通过将文本转换为数值表示，使用注意力机制捕捉单词间的关系，并堆叠多层以学习越来越抽象的模式，Transformer使现代大语言模型能够产生连贯有用的文本。
这个过程涉及七个关键步骤，对每个生成的标记重复：标记化、嵌入创建、位置编码、通过具有注意力机制的Transformer层处理、解嵌入到分数、从概率中采样和解码回文本。每个步骤建立在前一个基础上，将原始文本转换为模型可以操作的数学表示，然后转换回人类可读输出。
理解这个过程揭示了这些系统的功能和局限性。本质上，大语言模型是复杂模式匹配机器，根据从大规模数据集中学到的模式预测最可能的下一个标记。
这个七步过程重复进行，每一步都建立在前一步的基础上，将原始文本转换为模型可以操作的数学表示，然后转换回人类可读的输出。
本文详细解析了Transformer架构的工作原理，希望对您理解AI核心技术有所帮助。欢迎关注我们的公众号，获取更多前沿科技资讯！