機(jī)器之心報(bào)道

編輯：Panda W、陳陳

本文根據(jù)視頻整理而來，有聽錯(cuò)或理解不當(dāng)之處歡迎在評(píng)論區(qū)指出。

向大模型輸入「Michael Jordan plays the sport of _____（邁克爾?喬丹從事的體育運(yùn)動(dòng)是……）」，然后讓其預(yù)測(cè)接下來的文本，那么大模型多半能正確預(yù)測(cè)接下來是「basketball（籃球）」。

這說明在其數(shù)以億計(jì)的參數(shù)中潛藏了有關(guān)這個(gè)特定個(gè)人的相關(guān)知識(shí)。用戶甚至?xí)杏X這些模型記憶了大量事實(shí)。

但事實(shí)究竟如何呢？

近日，3Blue1Brown 的深度學(xué)習(xí)課程第 7 課更新了，其中通過生動(dòng)詳實(shí)的動(dòng)畫展示了 LLM 存儲(chǔ)事實(shí)的方式。視頻瀏覽量高達(dá) 18 萬次。

去年 12 月，谷歌 DeepMind 的一些研究者發(fā)布了一篇相關(guān)論文，其中的具體案例便是匹配運(yùn)動(dòng)員以及他們各自的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。

雖然這篇論文并未完全解答有關(guān) LLM 事實(shí)存儲(chǔ)的問題，但也得到了一些頗為有趣的結(jié)果，其中的一個(gè)重點(diǎn)是：事實(shí)保存在網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)特定部分，這個(gè)部分也就是我們熟知的多層感知器（MLP）。

在 3Blue1Brown 剛剛更新的這期視頻中，他們用 23 分的視頻演示了大型語言模型如何存儲(chǔ)和處理信息，主要包括以下部分：

LLM 中隱藏的事實(shí)是什么快速回顧 Transformers示例多層感知器計(jì)算參數(shù)

視頻地址：https://www.youtube.com/watch?v=9-Jl0dxWQs8

在演示視頻中，3b1b 的作者口齒清晰、語言標(biāo)準(zhǔn)，配合著高清畫面，讓讀者很好地理解了 LLM 是如何存儲(chǔ)知識(shí)的。

很多用戶在看完視頻后，都驚訝于 3Blue1Brown 教學(xué)質(zhì)量：

還有網(wǎng)友表示，坐等更新這期視頻已經(jīng)很久了：

接下來我們就深入 MLP 的細(xì)節(jié)吧。在這篇文章中，機(jī)器之心簡要介紹了核心內(nèi)容，感興趣的讀者可以通過原視頻查看完整內(nèi)容。

MLP 在大模型中的占比不小，但其實(shí)結(jié)構(gòu)相比于注意力機(jī)制這些要簡單許多。盡管如此，理解它也還是有些難度。

為了簡單，下面繼續(xù)通過「喬丹打籃球」這個(gè)具體示例進(jìn)行說明吧。

首先，我們先簡單了解一下 Transformer 的工作流程。Transformer 的訓(xùn)練目標(biāo)是基于已有 token 預(yù)測(cè)下一個(gè) token（通常表示詞或詞組），而每個(gè) token 都關(guān)聯(lián)了一個(gè)高維向量。

這些向量會(huì)反復(fù)通過兩類運(yùn)算：注意力（允許向量之間彼此傳遞信息）與多層感知器（MLP）。當(dāng)然，它們之間還存在一個(gè)特定的歸一化步驟。

在向量經(jīng)過多次如此迭代之后，我們希望每個(gè)向量都已經(jīng)吸收了足夠多的信息。這些信息有的來自訓(xùn)練模型時(shí)植入模型權(quán)重的一般性知識(shí)，也有的來自上下文。這些知識(shí)就是模型預(yù)測(cè)下一 token 的依據(jù)。

需要注意的是，這些向量編碼的并不僅僅是單個(gè)詞匯，而是會(huì)在信息在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)時(shí)根據(jù)周圍的環(huán)境和模型的知識(shí)吸收更加豐富的含義。

總之，每一個(gè)向量編碼的信息都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單個(gè)詞匯的含義，如此模型才能預(yù)測(cè)接下是什么。而存儲(chǔ)這些信息就是 MLP（注意力的作用是將上下文結(jié)合在一起），也因此大模型的大多數(shù)參數(shù)都在 MLP 中（約三分之二）。

繼續(xù)「喬丹打籃球」這個(gè)示例。MLP 是如何存儲(chǔ)這一事實(shí)的。

首先我們做一些假設(shè)：在高維空間中有這樣三個(gè)不同的向量，它們分別定義了喬丹的姓 Jordan 和名 Michael 以及籃球 Basketball。

現(xiàn)在，如果該空間中有一個(gè)向量與 Michael 向量的乘積為 1，則我們認(rèn)為該向量編碼了 Michael 這一概念；而如果這個(gè)乘積為 0 甚至負(fù)數(shù)，則認(rèn)為該向量與 Michael 沒有關(guān)聯(lián)。

同樣，我們可以計(jì)算該向量與 Jordan 或 Basketball 的乘積，以了解其與這兩個(gè)概念的關(guān)聯(lián)程度。

而通過訓(xùn)練，可讓該向量與 Michael 和 Jordan 的乘積均為 1，此時(shí)就可以認(rèn)為該向量編碼了 Michael Jordan 這個(gè)整體概念。

MLP 的內(nèi)部細(xì)節(jié)

當(dāng)這個(gè)編碼了上述文本的向量序列穿過一個(gè) MLP 模塊時(shí)，該序列中的每個(gè)向量都會(huì)經(jīng)歷一系列運(yùn)算：

之后，會(huì)得到一個(gè)與輸入向量同維度的向量。然后再將所得向量與輸入向量相加，得到輸出向量。

序列中的每個(gè)向量都會(huì)經(jīng)歷這樣的操作，此時(shí)這些操作都是并行執(zhí)行的，彼此之間互不影響。

對(duì)于「喬丹打籃球」，我們希望對(duì)于輸入的「Michael Jordan」，經(jīng)過一系列運(yùn)算之后，能得到「Basketball」的向量。

首先來看這個(gè)過程的第一步。這個(gè)線性投射過程就相當(dāng)于讓輸入向量乘以一個(gè)大型矩陣。這個(gè)矩陣?yán)锩娴臄?shù)據(jù)就是所謂的模型參數(shù)（model parameter）。你可以將其視為一個(gè)布滿控制旋鈕的儀表盤 —— 通過調(diào)整這些參數(shù)，我們就能控制模型的行為。

對(duì)于矩陣乘法，視頻中分享了一個(gè)視角。我們可以將矩陣乘法看作是將矩陣的每一行都視為一個(gè)向量，然后將這些行與被處理的向量（這里用 E 表示，意為 embeding，即嵌入）進(jìn)行一系列點(diǎn)乘。

如果我們假設(shè)該矩陣的第一行剛好編碼了「First Name Michael」且被處理向量也編碼了它，那么所得的點(diǎn)積就約為 1。

而如果它們同時(shí)編碼了姓和名，那么所得的結(jié)果應(yīng)該約等于 2。

你可以認(rèn)為該矩陣的其它行正在并行地處理其它問題。

另外，通常來說，這一步還會(huì)向輸出添加另一個(gè)向量，也就是所謂的偏置向量，其中的參數(shù)是從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到的。

在這個(gè)例子中，我們可以看到這個(gè)偏置向量的第一個(gè)元素為 -1。也就是說在最終的輸出向量中，之前得到的相關(guān)點(diǎn)積減去了 1。為什么要這樣操作？這是因?yàn)檫@樣一來，當(dāng)且僅當(dāng)向量編碼了全名「Michael Jordan」時(shí)，所得向量的第一項(xiàng)為正數(shù)，否則就為 0 或負(fù)數(shù)。

在實(shí)踐中，模型矩陣的規(guī)模非常大，比如 GPT-3 的矩陣有 49152 行和 12288 列（這個(gè)列數(shù)就是嵌入空間維度）。

事實(shí)上，這個(gè)行數(shù)恰好是嵌入空間維數(shù)的四倍。其實(shí)這只是一種設(shè)計(jì)選擇，你可以讓它更多，也可以讓它更少。

接下來我們用更簡潔的方式表示這個(gè)矩陣和向量，如下動(dòng)圖所示：

經(jīng)過上述線性過程之后，需要對(duì)輸出向量進(jìn)行整理。這里通常會(huì)用到一個(gè)非常簡單的函數(shù)：整流線性單元（ReLU）。

深度學(xué)習(xí)社區(qū)傳統(tǒng)上喜歡使用過于花哨的名字，這個(gè)非常簡單的函數(shù)通常被稱為整流線性單元（ReLU）。

繼續(xù)我們的例子，中間向量的第一個(gè)元素在當(dāng)且僅當(dāng)全名是 Michael Jordan 時(shí)才為 1，否則為零或負(fù)數(shù)，在將其通過 ReLU 后，會(huì)得到一個(gè)非常干凈的值，其中所有零和負(fù)值都被截?cái)酁榱恪Ｒ虼藢?duì)于全名 Michael Jordan，該輸出為 1，否則為 0。這個(gè)行為和「與門」非常相似。另外 ReLU 還有一個(gè)相對(duì)平滑的版本 GeLU。

接下來又是一個(gè)線性投射步驟，這一步與第一步非常相似：乘以一個(gè)大型矩陣，加上偏置，得到輸出向量。

但這一次，對(duì)于這個(gè)大型矩陣，我們不再以行的思路來思考它，而是以列的思路來看。這些列的維度與向量空間一樣。

如果第一列表示的是「Basketball」且 n_0 為 1（表示該神經(jīng)元已激活），則該結(jié)果就會(huì)被添加到最終結(jié)果中；否則就不會(huì)影響最終結(jié)果。當(dāng)然，這些列也可以表示任何概念。

類似地，我們將這個(gè)大矩陣簡化表示為 W ↓，將偏置表示為 B↓，并將其放回到圖中。

舉例來說，如果輸入向量中同時(shí)編碼了名字 Michael 和姓氏 Jordan，那么觸發(fā)操作序列后，便會(huì)得到指向 Baskerball 方向的輸出向量。

這個(gè)過程會(huì)并行地針對(duì)所有向量執(zhí)行

這就是 MLP 的運(yùn)算過程：兩個(gè)矩陣乘積，每個(gè)都添加了偏置。此前這種網(wǎng)絡(luò)曾被用來識(shí)別手寫數(shù)字，效果還算不錯(cuò)。

GPT-3 中有 1750 億參數(shù)是如何計(jì)算的？

在接下來的章節(jié)中，作者介紹了如何計(jì)算 GPT-3 中的參數(shù)，并了解它們的位置。

對(duì)于 GPT-3 來說，嵌入空間的大小是 12288，將它們相乘，僅該矩陣就有六億多個(gè)參數(shù)，而向下投影（第二個(gè)矩陣）具有相同數(shù)量的參數(shù)，只是形狀進(jìn)行了轉(zhuǎn)置，所以它們加起來大約有十二億參數(shù)。

此外，作者表示還需要考慮另外幾個(gè)參數(shù)，但這只占總數(shù)的很小一部分，可忽略不計(jì)。嵌入向量序列流經(jīng)的不是一個(gè) MLP，而是 96 個(gè)不同的 MLP，因此用于所有這些塊的參數(shù)高達(dá) 1000 多億，這約占網(wǎng)絡(luò)中總參數(shù)的三分之二。

最后，將注意力塊、嵌入和 unembedding 等組件的所有參數(shù)加起來，總計(jì)可以得到 1750 億參數(shù)。

另外值得一提的是，還有另一組與歸一化步驟相關(guān)的參數(shù)，不過視頻示例中跳過了這些參數(shù)，它們只占總數(shù)的很小一部分。

視頻最后介紹了疊加（Superposition）這一概念。證據(jù)表明，單個(gè)神經(jīng)元很少像邁克爾?喬丹那樣代表某個(gè)單一特征，實(shí)際上可能有一個(gè)很好的理由，這與目前在可解釋性研究人員中流傳的一個(gè)想法有關(guān)，稱為 Superposition，這是一個(gè)假設(shè)，可能有助于解釋為什么這些模型特別難以解釋，以及為什么它們的擴(kuò)展性出奇地好。

感興趣的讀者可以參考原視頻，了解更多內(nèi)容。

3blue1brown 介紹

3blue1brown 是一個(gè)專門制作可視化講解視頻的頻道，其內(nèi)容覆蓋數(shù)學(xué)、人工智能等領(lǐng)域，每門課都配有直觀生動(dòng)的動(dòng)畫演示，幫助觀眾加深對(duì)概念定理的理解。

除了 YouTube 上 640 萬訂閱者之外，3b1b 在 B 站上還有官方賬號(hào)，粉絲數(shù)量超過 215 萬，每個(gè)視頻都是 10 萬以上播放量，甚至有老師在課堂上播放該頻道的視頻。對(duì)于一個(gè)硬核教學(xué) UP 主來說，這樣的成績幾乎是無人可及了。

作為一直以來都十分受歡迎的理解數(shù)學(xué)概念的網(wǎng)站，3blue1brown 的可視化一直都做得非常好。在本期視頻中，我們可以直觀感受到了。

3b1b 的創(chuàng)立者 Grant Sanderson，畢業(yè)于斯坦福大學(xué)數(shù)學(xué)系，他的大部分視頻和動(dòng)畫引擎是獨(dú)立完成的，這是他此前在斯坦福學(xué)習(xí)時(shí)的業(yè)余項(xiàng)目。

在斯坦福，Grant「走了點(diǎn)計(jì)算機(jī)科學(xué)的彎路」，隨后畢業(yè)加入了 Khan Academy 并擔(dān)任了兩年的數(shù)學(xué)講師，在 2016 年之后，他開始全身心投入 3b1b 的工作中。

如果你對(duì)自己的學(xué)習(xí)能力信心不足，或許看看 3b1b 的內(nèi)容會(huì)是一個(gè)好主意，全程動(dòng)畫演示，讓你對(duì)知識(shí)點(diǎn)明白的徹徹底底。

參考鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=9-Jl0dxWQs8