第1章 可视化GPT原理_gpt视图

1 可视化GPT原理

BERT预训练模型采用了Transformer的Encoder部分，这节介绍的GPT（包括GPT-2、GPT-3）使用Transformer的Decoder部分。

1.1 GPT简介

GPT来自OpenAI的论文《Improving Language Understandingby Generative Pre-Training》，后来又在论文《Language Models areUnsupervised Multitask Learners》提出了 GPT-2 模型。GPT-2 与 GPT 的模型结构差别不大，但是采用了更大、更高质量的数据集进行实验。

GPT是在 Google BERT算法之前几个月提出的，与 BERT最大的区别在于，GPT和后来的一些模型，如TransformerXL和XLNet本质上是自回归（auto-regressive）模型，即使用单词的上文预测单词，而 BERT 不是，它采用使用MLM模型，同时利用单词左右来预测。因此，GPT 更擅长处理自然语言生成任务 (NLG)，而 BERT更擅长处理自然语言理解任务 (NLU)。

1.2 GPT的整体架构

GPT预训练的方式和传统的语言模型一样，通过上文，预测下一个单词,GPT的整体架构如图1-11所示。

图1-11 GPT的整体架构图

其中Trm表示Decoder模块，在同一水平线上的Trm表示在同一个单元，

表示词嵌入，那些复杂的连线表示词与词之间的依赖关系，显然，GPT要预测的词只依赖前文。

GPT-2根据其规模大小的不同，大致有4个版本，如图1-12所示。

图1-12 GPT-2的4种模型

1.3 GPT模型结构

GPT、GPT-2使用 Transformer的Decoder结构，但对 Transformer Decoder 进行了一些改动，原本的 Decoder 包含了两个 Multi-Head Attention 结构，GPT 只保留了 Mask Multi-Head Attention，如图1-13所示。

图1-13 GPT的模型结构

1.4 GPT-2的Mult-Head与BERT的Mult-Head区别

BERT使用Muti-Head Attention ,可以同时从某词的左右两边进行关注。而GPT-2采用Masked Muti-Head Attention，只能关注词的右边，如图1-14所示。

图1-14 BERT与GPT-2的Multi-Head的异同

1.5 GPT-2的输入

GPT-2的输入涉及两个权重矩阵，一个是记录所有单词或标识符（Token）的嵌入矩阵(Token Embeddings)，该矩阵形状为mode_vocabulary_size xEmbedding_size，另一个为表示单词在上下文位置的编码矩阵（Positional Encodings），该矩阵形状为:context_sizexEmbedding_size，其中Embedding_size根据GPT-2模型大小而定，SMALL模型为768，MEDIUM为1024，以此类推。输入GPT-2模型前，需要把标识嵌入加上对应的位置编码，如图1-15所示。

图1-15 GPT-2 的输入数据

在图1-15中，每个标识的位置编码在各层DECODER是不变的，它不是一个学习向量。

1.6 GPT-2 计算Masked Self-Attention的详细过程

假设输入语句为："robot must obey orders"，接下来must这个query对其它单词的关注度（即分数），主要步骤：

（1）对各输入向量，生成矩阵Q、K、V;

（2）计算每个query对其它各词的分数；

（3）对所得的应用Mask（实际上就是乘以一个下三角矩阵）

详细步骤如下：

1.创建矩阵Q、K 、V

对每个输入单词，分别与权重矩阵相乘，得到一个查询向量（query vector）、关键字向量（key vector）、数值向量（value vector），如图1-16所示。

图1-16 生成self-Attention中的K,Q,V

2.计算每个Q对Key的得分

对每个Q对Key的得分计算公式，如图1-17所示。

图1-17 Q对key得分的计算过程

3.对所得的分数应用Mask

对所得分再经过Attention Mask的映射，如图1-18所示。

图1-18得分经过Mask示意图

4.Mask之后的分数通过softmax函数

经过Mask后的分数通过softmax后的结果如图1-19所示。

图1-19 得分通过softmax后

5.单词must（即q2）对各单词的得分为：

q2对各单词的得分，如图1-20所示。

图1-20 q2对各词的得分

1.7 输出

在最后一层，对每个词的输出乘以Token Embedding矩阵（该矩阵的形状为mode_vocabulary_sizexEmbedding_size，其中Embedding_size的值根据GPT-2的型号而定，如果是SMALL型，就是768，如果是MEDIUM型，就是1024等），最后经过softmax函数，得到模型字典中所有单词的得分，通过取top取值方法就可得到预测的单词，整个过程如图1-21所示。

图1-21 GPT-2的输出

1.8 GPT与GPT-2的异同

在GPT的基础上，后面又开发出GPT-2，两者架构上没有大的变化，只是对规模、数据量等有些不同，它们之间的异同如下：

1.结构基本相同，都采用LM模型，使用Transformer的DECODER。

2.不同点：

（1）GPT-2结构的规模更大，层数更大。

（2）GPT-2数据量更大、数据类型更多，这些有利于增强模型的通用性，并对数据做了更多质量过滤和控制。

（3）GPT对不同的下游任务，修改输入格式，并添加一个全连接层，采用有监督学习方式，如图1-22所示。而GPT-2对下游采用无监督学习方式，对不同下游任务不改变参数及模型（即所谓的zero-shot setting）。

图1-22（左）Transforer的架构和训练目标，（右）对不同任务进行微调时对输入的改造。

GPT如何改造下游任务？微调时，针对不同的下游任务，主要改动GPT的输入格式，先将不同任务通过数据组合，代入Transformer模型，然后在模型输出的数据后加全连接层（Linear）以适配标注数据的格式，具体情况大致如下：

1.分类问题，改动很少，只要加上一个起始和终结符号即可；

2.句子关系判断问题，比如Entailment，两个句子中间再加个分隔符即可；

3.文本相似性判断问题，把两个句子顺序颠倒下做出两个输入即可，这是为了告诉模型句子顺序不重要；

4.多项选择问题，则多路输入，每一路把文章和答案选项拼接作为一个输入即可。

从图1-22可看出，这种改造还是很方便的，不同任务只需要在输入部分改造即可，所以GPT-2、GPT-3 对不同下游任务基本不改过参数和模型方式。