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大模型架构基础

理解现代大语言模型的底层架构 — Transformer、注意力机制与关键组件


发展脉络

2017  Transformer 论文
  │    "Attention Is All You Need"
  ▼
2018  GPT-1 / BERT
  │    解码器-only / 编码器-only
  ▼
2020  GPT-3(175B)— Scaling Law 确立
  ▼
2022  ChatGPT / GPT-3.5 — RLHF 对齐
  ▼
2023  GPT-4 / LLaMA / Claude 2
  │    多模态、MoE 兴起
  ▼
2024  LLaMA 3 / Qwen 2.5 / DeepSeek-V3
  ▼
2025  GPT-5 / Claude Opus 5 / DeepSeek-V4
      大规模 MoE、混合注意力、推理时扩展

一、Transformer 架构

现代大语言模型的基石,发表于 2017 年。核心思想:用自注意力机制取代循环/卷积,实现并行计算。深度讲解见 Transformer 架构详解。

架构总览

          ┌──────────────┐
输入文本 → │ Embedding    │ → Token 向量
          └──────┬───────┘
                 ▼
   ┌─────────────────────────────┐
   │   Transformer Block × N     │  ← 重复 N 层(数十到数百层)
   │  ┌───────────────────────┐  │
   │  │  Multi-Head Attention │  │  ← 核心:自注意力
   │  │  + Layer Norm + 残差  │  │
   │  ├───────────────────────┤  │
   │  │  Feed-Forward (FFN)   │  │  ← 逐位置的全连接网络
   │  │  + Layer Norm + 残差  │  │
   │  └───────────────────────┘  │
   └─────────────┬───────────────┘
                 ▼
          ┌──────────────┐
          │  输出头       │ → 预测下一个 Token
          └──────────────┘

三种变体

类型 代表模型 特点
编码器-only BERT、RoBERTa 双向注意力,适合理解任务(分类、NER)
解码器-only GPT 系列、LLaMA、DeepSeek 因果注意力(只看左边),适合生成任务
编码器-解码器 T5、BART 融合两者,适合翻译、摘要

现代大语言模型几乎全部使用解码器-only(自回归生成)。


二、自注意力机制(Self-Attention)

直观理解

让每个词"看到"句子中所有其他词,并决定应该关注哪些。

"我    爱    北京    天安门"
  │     │      │       │
  └─────┼──────┼───────┘
        │      │
  每个词都和所有词计算关联度(注意力权重)

数学过程

对每个输入的 Token 向量,计算三个投影:

符号 含义
Q(Query) 查询 "我在找什么?"
K(Key) 键 "我有什么?"
V(Value) 值 "我的实际内容"

\text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right) V

步骤:

  1. Q × K^T → 计算每对 token 之间的关联分数(注意力矩阵)
  2. ÷ √d_k → 缩放,防止梯度消失
  3. Softmax → 归一化为概率分布
  4. × V → 用注意力权重加权求和,得到输出

多头注意力(Multi-Head Attention)

不是做一次注意力,而是并行做多次(如 8/16/32 个头),每个头关注不同的语义模式。

  • 头 1 可能关注"语法结构"
  • 头 2 可能关注"实体关系"
  • 头 3 可能关注"长距离依赖"

三、关键组件

1. Token 与 Tokenizer

概念 说明
Token 文本被拆分的最小语义单元
Tokenizer 将文本切分为 Token 的工具(BPE、SentencePiece 等)
词表大小 通常 32K ~ 256K,DeepSeek V4 使用了更大词表
"Hello, world!" → ["Hello", ",", " world", "!"]
"你好世界"      → ["你好", "世界"]

2. 位置编码(Positional Encoding)

Transformer 本身不感知顺序,需要额外注入位置信息:

类型 说明 代表
绝对位置编码 每个位置有唯一的向量 原始 Transformer 的正弦编码
相对位置编码 编码 token 之间的相对距离 T5 的相对偏置
旋转位置编码(RoPE) 对 Q/K 做旋转,编码相对位置 LLaMA、DeepSeek、Qwen 主流方案

3. 前馈网络(Feed-Forward Network, FFN)

FFN(x) = Act(W₂ · Act(W₁ · x + b₁) + b₂)
  • 两层全连接,中间有激活函数(GELU/SwiGLU)
  • 参数量占比最大(约 2/3)
  • SwiGLU 是现代模型的首选激活函数
  • 深度讲解见 FFN 前馈网络详解

4. 残差连接(Residual Connection)

输出 = LayerNorm(x + SubLayer(x))
  • 缓解深层网络的梯度消失
  • 让模型可以"跳过"不必要的变化
  • GPT 使用 Pre-LN(层归一化在子层之前)

5. 层归一化(Layer Normalization)

  • 对每个样本的特征维度做归一化
  • 稳定训练、加速收敛
  • 现代主流:RMSNorm(去掉均值中心化,更快更简单)

四、训练范式

┌──────────────┐
│ 1. 预训练     │  海量互联网文本,无监督学习(预测下一个 Token)
│   Pretraining │  数十 TB 数据,数万 GPU,数周到数月
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 2. 监督微调   │  高质量人工标注的指令-回复对
│   SFT         │  让模型学会"对话格式"和"遵循指令"
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 3. 对齐训练   │  RLHF / DPO / RLVR
│   Alignment   │  让模型输出更安全、更有用、更符合人类偏好
└──────────────┘

关键概念

概念 说明
Scaling Law 模型性能随参数量、数据量、计算量幂律增长
涌现能力 大模型独有的、小模型没有的能力(如思维链推理)
RLHF 基于人类反馈的强化学习 — 训练奖励模型指导策略优化
DPO 直接偏好优化 — 更简单地对齐方法,不需要单独的奖励模型

五、推理时技术

自回归生成(Autoregressive Generation)

输入:"今天天气" → 预测下一个 Token "真"
      "今天天气真" → 预测下一个 Token "好"
      "今天天气真好" → 预测下一个 Token "<eos>"(停止)

每次生成一个 Token,直到输出结束符或达到最大长度。

关键概念

概念 说明
Temperature 控制随机性,越高越随机(创造性高),越低越确定
Top-p(核采样) 只从累积概率 ≥ p 的最少 Token 集合中采样
Top-k 只从概率最高的 k 个 Token 中采样
KV Cache 缓存已生成 Token 的 Key/Value,避免重复计算,加速推理
上下文窗口 模型能同时"看到"的最大 Token 数(现在主流 128K~1M)

六、当前主流架构扩展

MoE(混合专家)

详见 MoE 混合专家架构

  • 不是所有参数都参与每次推理
  • 每个 Token 只路由到少数"专家"子网络
  • 总参数极大但计算量可控

多模态扩展

见 多模态大模型

  • 在 LLM 基础上添加视觉/音频编码器
  • 通过投影器对齐不同模态的 Token

扩展阅读


最后更新:2026-08-05