編者按： 本文旨在帶領(lǐng)讀者深入了解 LLaMA 3 的核心技術(shù) —— 使用 RMSNorm 進(jìn)行預(yù)歸一化、SwiGLU 激活函數(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼（RoPE）和字節(jié)對(duì)編碼（BPE）算法。RMSNorm 技術(shù)讓模型能夠識(shí)別文本中的重點(diǎn)，SwiGLU 激活函數(shù)則如同“神筆”，讓模型生成的文本更加突出重點(diǎn)且易于理解；RoPE 賦予了模型處理序列中詞語位置的靈活性，而 BPE 算法則有效提升了模型處理長(zhǎng)文本的能力。

從開發(fā)環(huán)境配置到項(xiàng)目邏輯梳理，各組件的介紹與構(gòu)建，再到模型組件的整合，本文將帶你一步步走過從文本數(shù)據(jù)分詞到創(chuàng)建嵌入、從注意力機(jī)制到多頭注意力實(shí)現(xiàn)的全過程。僅需具備一定的 Python 編程基礎(chǔ)，并對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 Transformer 架構(gòu)有基本的認(rèn)識(shí)，便能跟隨本文的指引，觀察 LLaMA 3 如何根據(jù)輸入生成輸出，見證它如何基于輸入生成連貫且有意義的文本。

本文作者提供了完整的代碼示例和詳細(xì)的指導(dǎo)文檔，無需 GPU ，僅需 17 GB RAM 即可開始實(shí)踐。無論是希望深化理論認(rèn)識(shí)還是渴望實(shí)踐技能提升，本文都將是不可多得的優(yōu)質(zhì)內(nèi)容。

作者 | Fareed Khan

編譯 | 岳揚(yáng)

LLaMA 3[1] 是繼 Mistral[2] 之后最有前途的開源模型之一，具備應(yīng)對(duì)多種任務(wù)的強(qiáng)大能力。早前，我曾發(fā)布過一篇文章，詳述了如何基于 LLaMA 架構(gòu)，從頭構(gòu)建一個(gè)參數(shù)量超 230 萬的大語言模型（LLM）。目前 LLaMA-3 已經(jīng)發(fā)布，我們將以更加簡(jiǎn)便的方法重新構(gòu)建這一模型。

在本篇博客中無需使用 GPU，但需要不少于 17 GB 的 RAM，因?yàn)槲覀儗⒓虞d數(shù)個(gè)超過 15 GB 的文件。

為便于實(shí)踐，我已在 GitHub 上創(chuàng)建了一個(gè)代碼倉庫[3]，內(nèi)含全部操作代碼及詳細(xì)指南的 notebook 文件，避免了逐行從本博客復(fù)制粘貼的繁瑣。

想了解如何從零構(gòu)建一個(gè)參數(shù)量超過 230 萬的大語言模型（LLM）嗎？請(qǐng)參考這篇指南[4]，帶你從零開始踏入大模型創(chuàng)建之旅。

目錄

01 預(yù)備知識(shí)概覽

02 LLaMA 2 與 LLaMA 3 的區(qū)別

03 LLaMA 3 架構(gòu)探秘

• 使用 RMSNorm 進(jìn)行預(yù)歸一化
• SwiGLU 激活函數(shù)
• 旋轉(zhuǎn)編碼 (RoPE)
• 字節(jié)對(duì)編碼 (BPE) 算法

04 配置開發(fā)環(huán)境

05 理清項(xiàng)目組織邏輯

06 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分詞

07 為每個(gè) token 創(chuàng)建嵌入

08 使用 RMSNorm 進(jìn)行歸一化

09 注意力頭（Query，Key，Values）

10 實(shí)現(xiàn) RoPE

11 實(shí)現(xiàn) Self Attention

12 實(shí)現(xiàn) Multi-Head Attention

13 實(shí)現(xiàn) SwiGLU 激活函數(shù)

14 整合上述模型組件

15 見證模型如何基于輸入生成輸出

01 預(yù)備知識(shí)概覽

本文不涉及面向?qū)ο缶幊蹋∣OP），僅需掌握簡(jiǎn)單的 Python 語法即可。不過，要想順暢閱讀這篇博客，具備對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 Transformer 架構(gòu)的基本認(rèn)識(shí)是必不可少的前提。這兩點(diǎn)便是學(xué)習(xí)本文的全部要求。

02 LLaMA 2 與 LLaMA 3 的區(qū)別

在探討相關(guān)技術(shù)的細(xì)枝末節(jié)之前，需要了解的一點(diǎn)是，LLaMA 3的架構(gòu)設(shè)計(jì)與 LLaMA 2 相同。因此，即便你尚未深入了解 LLaMA 3 的技術(shù)細(xì)節(jié)，閱讀這篇博客也沒有啥問題。即便不了解 LLaMA 2 的架構(gòu)也別著急，我們也會(huì)對(duì)其技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行概述，盡力確保所有感興趣的讀者都能閱讀本文。

以下是有關(guān) LLaMA 2 與 LLaMA 3 的幾個(gè)核心要點(diǎn)：

03 LLaMA 3 架構(gòu)探秘

在著手編寫代碼之前，了解 LLaMA 3 架構(gòu)非常重要。為了幫助各種讀者更形象地理解這一概念，特附上一張對(duì)比圖，直觀展示原始 Transformer 架構(gòu)與 LLaMA 2/3 及 Mistral 之間的異同。

From Rajesh Kavadiki

現(xiàn)在，讓我們深入了解一下 LLaMA 3 中幾個(gè)核心要素的細(xì)節(jié)：

3.1 使用 RMSNorm 進(jìn)行預(yù)歸一化

沿襲 LLaMA 2 的做法，LLaMA 3 采取了一項(xiàng)名為 RMSNorm 的技術(shù)，來對(duì)每一個(gè) Transformer 子層的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理（normalizing）。

設(shè)想一下，你正在備戰(zhàn)一場(chǎng)大型考試，手邊是一本“大部頭”教科書，內(nèi)容分成了多個(gè)章節(jié)。每一章都覆蓋了不同知識(shí)點(diǎn)，但其中某些章節(jié)對(duì)理解整本書的主題更為重要。在通讀整本教科書之前，你決定評(píng)估一下每一章的重要性，你不想在每一章節(jié)上都花同樣多的時(shí)間，而是希望將精力更多地集中在那些核心章節(jié)上。

類比到像 ChatGPT 這樣的大語言模型（LLMs），使用 RMSNorm 進(jìn)行預(yù)歸一化就如同依據(jù)內(nèi)容的重要性為各章節(jié)“加權(quán)”。對(duì)理解書籍主題至關(guān)重要的章節(jié)會(huì)獲得更高的“權(quán)重”，而次要章節(jié)則反之。

因此，在深入學(xué)習(xí)之前，我們會(huì)根據(jù)各章節(jié)的重要性調(diào)整學(xué)習(xí)計(jì)劃。在權(quán)重較高的章節(jié)上分配更多時(shí)間與精力，確保全面而深刻地掌握其核心概念。

《Root Mean Square Layer Normalization》(??https://arxiv.org/abs/1910.07467??)

與此類似，采用 RMSNorm 技術(shù)進(jìn)行預(yù)歸一化能幫助大語言模型（LLMs）識(shí)別出文本中哪些部分對(duì)于理解上下文及其語義更為重要。它通過為關(guān)鍵要素賦予更高權(quán)重、非關(guān)鍵要素賦予較低權(quán)重的方式，引導(dǎo)模型將注意力集中于那些對(duì)上下文的準(zhǔn)確解讀最需要的地方。對(duì)此感興趣的讀者可在此處[5]深入了解 RMSNorm 的具體實(shí)現(xiàn)方式。

3.2 SwiGLU 激活函數(shù)

LLaMA 從 PaLM 模型中汲取靈感，引入了 SwiGLU 激活函數(shù)。

想象一下，假如你是一名教師，正試圖向?qū)W生解釋一個(gè)復(fù)雜的話題。有一塊大白板，你在上面寫下了一些要點(diǎn)，并繪制圖像盡量使得內(nèi)容講解更為清晰。但有時(shí)，你的字跡可能不太工整，或者圖像可能畫得不夠完美。這會(huì)大大增加學(xué)生理解教材的難度。

假如你擁有一支“神筆”，它能夠根據(jù)每個(gè)要點(diǎn)的重要性自動(dòng)調(diào)整字的大小和樣式。如若某一要點(diǎn)非常重要，這支筆就會(huì)把它寫得更大、更清晰，讓其更加顯眼。如果不那么重要，這支“神筆”就會(huì)把字寫得小一些，但仍清晰可辨識(shí)。

SwiGLU 對(duì)于像 ChatGPT 這樣的大語言模型（LLMs）來說就像那支“神筆”。在生成文本之前，SwiGLU 會(huì)根據(jù)每個(gè)單詞（word）或短語（phrase）與上下文的相關(guān)性（relevance）調(diào)整其重要性（importance）。就像“神筆”會(huì)調(diào)整你寫字??時(shí)的字體大小和風(fēng)格一樣，SwiGLU 也會(huì)調(diào)整每個(gè)詞或短語的重要程度。

《SwiGLU: GLU Variants Improve Transformer》(??https://kikaben.com/swiglu-2020/??)

這樣，當(dāng)大語言模型生成文本時(shí)，就可以更加突出重要部分，并確保這些內(nèi)容對(duì)文本的整體理解貢獻(xiàn)更大。這樣，SwiGLU 就能幫助大語言模型生成更清晰、更易于理解的文本，就像“神筆”能夠幫助你在白板上為學(xué)生創(chuàng)造更為清晰的內(nèi)容講解一樣。若想進(jìn)一步了解 SwiGLU 的相關(guān)細(xì)節(jié)，請(qǐng)查閱相關(guān)論文[6]。

3.3 旋轉(zhuǎn)編碼 (RoPE)

旋轉(zhuǎn)編碼（Rotary Embeddings），簡(jiǎn)稱 RoPE ，是 LLaMA 3 中采用的一種位置編碼方式（position embedding）。

想象一下，你正在教室里組織小組討論，需要為學(xué)生們分配座位。常規(guī)做法是按行和列安排座位，每位學(xué)生都有一個(gè)固定的座位。但在某些情況下，我們可能希望設(shè)計(jì)一種更為靈活的座位布局安排，讓學(xué)生們能更自如地走動(dòng)與交流。

RoPE 就像一種特別的座位布局方案，它讓每位學(xué)生既能旋轉(zhuǎn)又能改變位置，同時(shí)還能保持與其他學(xué)生的相對(duì)位置不變。學(xué)生們不再受制于某一個(gè)固定的位置，而是能做圓周運(yùn)動(dòng)（circular motion），從而實(shí)現(xiàn)更加順暢的互動(dòng)。

在這種情況下，每一位學(xué)生都代表著文本序列里的一個(gè)詞語或 token ，他們的位置與他們?cè)谛蛄兄械奈恢孟鄬?duì)應(yīng)。如同 RoPE 讓學(xué)生們能旋轉(zhuǎn)與改變位置一樣，RoPE 也允許文本序列中各詞語的位置編碼（positional embeddings）能夠根據(jù)彼此間的相對(duì)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

因此，在處理文本的過程中，RoPE 并未簡(jiǎn)單地將位置編碼視作固定、靜態(tài)的（fixed and static）元素，而是巧妙地融入了旋轉(zhuǎn)（rotational）這一概念，使得表示方式更加靈活、多樣化，能夠更精準(zhǔn)地把握文本序列內(nèi)詞語間的變化關(guān)系。 這種靈活性賦予了 ChatGPT 等模型更強(qiáng)的能力，使其能更深刻地理解和生成自然流暢、邏輯連貫的文本內(nèi)容，就如同在教室中采用動(dòng)態(tài)座位布局（dynamic seating arrangement）能夠激發(fā)更多互動(dòng)式的討論一樣。若想深入了解其背后的數(shù)學(xué)原理，可查閱 RoPE 的相關(guān)論文[7]。

3.4 字節(jié)對(duì)編碼 (BPE) 算法

LLaMA 3 采用由 OpenAI 推出的 tiktoken 庫中的字節(jié)對(duì)編碼（Byte Pair Encoding, BPE），而 LLaMA 2 的 BPE 分詞機(jī)制基于 sentencepiece 庫。兩者雖有微妙差異，但目前的首要任務(wù)是理解 BPE 究竟是什么。

先從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子開始：假設(shè)有一個(gè)文本語料庫（text corpus），內(nèi)含 "ab", "bc", "bcd", 和 "cde" 這些詞語。我們將語料庫中所有單詞拆分為單個(gè)字符納入詞匯表，此時(shí)的詞匯表為 {"a", "b", "c", "d", "e"}。

接下來，計(jì)算各字符在文本語料庫中的出現(xiàn)次數(shù)。在本例中，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為 {"a": 1, "b": 3, "c": 3, "d": 2, "e": 1}。

1. 隨后，進(jìn)入核心環(huán)節(jié) —— 合并階段（merging process）。重復(fù)執(zhí)行以下操作直至詞匯表達(dá)到預(yù)定規(guī)模：第一步，找出頻次最高的連續(xù)字符組合。在本例中，頻次最高的一對(duì)字符是“bc”，頻次為 2。然后，我們將這對(duì)字符合并，生成新的子詞單元（subword unit）“bc”。合并后，更新字符頻次，更新后的頻次為 {"a": 1, "b": 2, "c": 2, "d": 2, "e": 1, "bc": 2}。我們將新的子詞單元 “bc” 加入詞匯表，使之?dāng)U充至 {"a", "b", "c", "d", "e", "bc"}。
2. 重復(fù)循環(huán)這一過程。下一個(gè)出現(xiàn)頻次最高的詞對(duì)是“cd”，將其合并生成新的子詞單元 “cd”，并同步更新頻次。更新后為 {"a": 1, "b": 2, "c": 1, "d": 1, "e": 1, "bc": 2, "cd": 2}。然后我們將 “cd” 加入詞匯表，得到 {"a", "b", "c", "d", "e", "bc", "cd"}。
3. 延續(xù)此流程，下一個(gè)頻繁出現(xiàn)的詞對(duì)是 “de”，將其合并為子詞單元 “de”，并將頻次更新至 {"a": 1, "b": 2, "c": 1, "d": 1, "e": 0, "bc": 2, "cd": 1, "de": 1}。然后將 “de” 添加到詞匯表中，使其更新為 {"a", "b", "c", "d", "e", "bc", "cd", "de"}。
4. 接下來，我們發(fā)現(xiàn) “ab” 是出現(xiàn)頻次最高的詞對(duì)，將其合并為子詞單元 “ab”，同步更新頻次為 {"a": 0, "b": 1, "c": 1, "d": 1, "e": 0, "bc": 2, "cd": 1, "de": 1, "ab": 1}。再將 “ab” 添加至詞匯表中，使其擴(kuò)容至 {"a", "b", "c", "d", "e", "bc", "cd", "de", "ab"}。
5. 再往后，“bcd”成為了下一個(gè)出現(xiàn)頻次最高的詞對(duì)，將其合并為子詞單元 “bcd”，更新頻次至 {"a": 0, "b": 0, "c": 0, "d": 0, "e": 0, "bc": 1, "cd": 0, "de": 1, "ab": 1, "bcd": 1}。將 “bcd” 添入詞匯表，使其升級(jí)為 {"a", "b", "c", "d", "e", "bc", "cd", "de", "ab", "bcd"}。
6. 最后，出現(xiàn)頻次最高的詞對(duì)是 “cde”，將其合并為子詞單元 “cde”，更新頻次至 {"a": 0, "b": 0, "c": 0, "d": 0, "e": 0, "bc": 1, "cd": 0, "de": 0, "ab": 1, "bcd": 1, "cde": 1}。將 “cde” 添加入詞匯表，這樣詞匯表就變?yōu)榱?{"a", "b", "c", "d", "e", "bc", "cd", "de", "ab", "bcd", "cde"}。

此方法能夠顯著提升大語言模型（LLMs）的性能，同時(shí)能夠有效處理生僻詞及詞匯表之外的詞匯。TikToken BPE 與 sentencepiece BPE 的主要區(qū)別在于：TikToken BPE 不會(huì)盲目將已知的完整詞匯分割。 比如，若 “hugging” 已存在于詞匯表中，它會(huì)保持原樣，不會(huì)被拆解成 ["hug","ging"]。

04 環(huán)境配置

我們將使用到少量 Python 庫，為了防止出現(xiàn) “no module found” 的錯(cuò)誤，建議運(yùn)行下面這行命令提前安裝好這些庫。

安裝完所需庫后，下一步是下載相關(guān)文件。因?yàn)槲覀円獜?fù)現(xiàn)的是 llama-3-8B 模型的架構(gòu)，所以我們需要在 HuggingFace 平臺(tái)上注冊(cè)一個(gè)賬戶。另外，鑒于 llama-3 是一款使用受限的模型，訪問模型內(nèi)容前需同意其使用條款。

具體步驟如下：

• 點(diǎn)擊此處[8]注冊(cè) HuggingFace 賬戶
• 點(diǎn)擊此處[9]同意 llama-3-8B 的使用條款

完成以上兩個(gè)步驟后，接下來就會(huì)下載一些必要的文件。要實(shí)現(xiàn)此目的，有兩條途徑可選：

• 手動(dòng)下載 (Option 1: Manual) ：通過此鏈接[10]進(jìn)入 llama-3–8B 的 HuggingFace 目錄，逐一手動(dòng)下載以下三個(gè)文件。

LLaMA-3 配置文件下載

• 通過編程的方式下載 (options 2: Coding) ：使用之前安裝的 hugging_face 庫，我們可以一鍵下載所有必需的文件。不過，在此之前，需要先用 HF Token 在當(dāng)前工作環(huán)境中登錄HuggingFace Hub。你可以創(chuàng)建一個(gè)新 token ，或直接通過此鏈接[11]獲取。

當(dāng)我們運(yùn)行該代碼單元時(shí)，系統(tǒng)會(huì)要求我們輸入 token 。如若登錄過程中遇到問題，請(qǐng)重試，但一定要記得取消選中 “token as git credential” 這一選項(xiàng)。隨后，我們僅需運(yùn)行一段簡(jiǎn)單的 Python 腳本代碼，便能順利下載 llama-3-8B 架構(gòu)的三個(gè)主要文件。

下載完所有必要文件后，我們需要導(dǎo)入本博客中將要使用的 Python 庫。

接下來，我們需要了解所下載的每個(gè)文件的具體用途。

05 理清項(xiàng)目組織邏輯

由于我們的目標(biāo)是精確復(fù)制 llama-3 ，這意味著無論輸入的文本是什么，都應(yīng)當(dāng)獲得有實(shí)際意義的輸出。舉例來說，當(dāng)我們輸入“太陽的顏色是什么？（the color of the sun is?）”這樣的問題時(shí)，期望的回答自然是“白色（white）”。然而，要達(dá)成這一目標(biāo)，通常需要在海量數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練大語言模型（LLMs），而這往往對(duì)計(jì)算資源的要求極高，因此對(duì)于我們來說并不可行。

不過，Meta 已經(jīng)公開發(fā)布了他們的 llama-3 架構(gòu)文件（或者更確切地說，是他們預(yù)訓(xùn)練模型權(quán)重）供公眾使用。我們剛剛下載的正是這些文件，這意味著我們無需自行訓(xùn)練模型或搜集龐大的數(shù)據(jù)集，這樣就可以復(fù)制它們的架構(gòu)。一切準(zhǔn)備工作都已就緒，接下來，我們只需確保在恰當(dāng)?shù)奈恢谜_地運(yùn)用這些組件。

現(xiàn)在，讓我們逐一了解這些文件及其各自的重要作用：

tokenizer.model —— 如前文所述，LLaMA-3 采用的是 tiktoken 庫中的字節(jié)對(duì)編碼（BPE）分詞技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是在一個(gè)包含了 15 萬億個(gè) tokens 的超大數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練得來的，比 LLaMA-2 使用的數(shù)據(jù)集足足大了7倍之多。現(xiàn)在，讓我們加載這個(gè)文件，一探究竟，看看它背后藏著哪些奧秘。

??length??? 這一屬性代表的是詞匯表的總體規(guī)模，具體指代的是訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的所有不同（唯一）字符的總數(shù)。而 ??tokenizer_model?? 本身，則是一種字典類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)我們隨機(jī)抽取并展示其中的 10 項(xiàng)內(nèi)容，會(huì)注意到，這些內(nèi)容都是通過 BPE 算法精心構(gòu)造的字符串，與我們之前探討的示例頗為相似。此處的字典鍵（key）代表著 BPE 算法訓(xùn)練過程中的字節(jié)序列（Byte sequences），而字典值（values）則反映了依據(jù)出現(xiàn)頻率確定的合并排序級(jí)別（merge ranks）。

consolidated.00.pth —— 這個(gè)文件內(nèi)藏玄機(jī)，它保存了 Llama-3-8B 模型在訓(xùn)練過程中學(xué)到的所有參數(shù)，即所謂的模型權(quán)重。這些參數(shù)深度揭示了模型的工作機(jī)制，比如它如何對(duì) tokens 進(jìn)行編碼、如何計(jì)算注意力權(quán)重、如何執(zhí)行前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，以及最終如何對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，等等。

對(duì)于熟悉 transformer 架構(gòu)的人來說，諸如查詢（query）、鍵（key）矩陣等概念一定不會(huì)陌生。稍后，我們?cè)?Llama-3 的體系結(jié)構(gòu)中借助這些模型層/權(quán)重構(gòu)建出相應(yīng)的矩陣。

params.json —— 這個(gè)文件內(nèi)容豐富，記錄了各類參數(shù)的具體數(shù)值，包括但不限于：

這些數(shù)值將幫助我們一步步復(fù)制 Llama-3 架構(gòu)，它們?cè)敿?xì)記錄了模型架構(gòu)中的關(guān)鍵參數(shù)，比如注意力頭的數(shù)量、嵌入向量的維度等。

現(xiàn)在，讓我們妥善保存這些數(shù)據(jù)值，以備后續(xù)環(huán)節(jié)中調(diào)用使用。

有了分詞模型（tokenizer model）、載有關(guān)鍵權(quán)重的架構(gòu)模型（architecture model containing weights）以及詳盡的配置參數(shù)（configuration parameters）在手，萬事俱備，只欠東風(fēng)。現(xiàn)在，讓我們滿懷熱情，從最基礎(chǔ)的部分做起，動(dòng)手搭建屬于我們自己的 Llama-3 模型吧！

06 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分詞

該步驟的首要任務(wù)是將輸入的文本信息轉(zhuǎn)化為詞元形式，而這一步驟的關(guān)鍵在于，我們必須先生成一系列特殊詞元（token）。這些特殊詞元如同導(dǎo)航標(biāo)，鑲嵌在分詞之后的文本中，它們賦予分詞器識(shí)別與處理特定條件或指令的能力，是整個(gè)流程中不可或缺的一環(huán)。

接下來，我們可以通過設(shè)定不同的模式來識(shí)別輸入文本中各種類型的子字符串，以此來制定文本分割規(guī)則。讓我們來看看具體操作方法。

此工具能夠從輸入文本中提取單詞（words）、縮寫（contractions）、數(shù)字（numbers）（最多三位數(shù)） ，以及由非空白字符組成的字符序列，我們可以根據(jù)自身需求對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。

我們需利用 TikToken 的 BPE 算法來編寫一個(gè)簡(jiǎn)易的分詞函數(shù)，該函數(shù)接收三項(xiàng)參數(shù)：t0okenizer_model 、 tokenize_breaker 和 special_tokens 。該函數(shù)會(huì)按照需求對(duì)輸入文本進(jìn)行相應(yīng)的編碼或解碼處理。

為了驗(yàn)證該編碼函數(shù)是否能夠正常工作，我們先以“Hello World”作為測(cè)試文本傳入該函數(shù)處理。首先，該函數(shù)將文本編碼，將其轉(zhuǎn)化為一系列數(shù)字。隨后，再將這些數(shù)字解碼回原始文本，最終得到 “hello world！” —— 這一過程證明了函數(shù)功能正常。現(xiàn)在，讓我們開始對(duì)輸入內(nèi)容進(jìn)行分詞處理。

我們從一個(gè)特殊詞元（譯者注：此處應(yīng)當(dāng)為??<|begin_of_text|>??）開始，對(duì)輸入文本 “the answer to the ultimate question of life, the universe, and everything is ” 進(jìn)行編碼處理。

07 為每個(gè) token 創(chuàng)建嵌入

如果我們檢查輸入向量的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度應(yīng)為：

目前，輸入向量的維度為 (17x1) ，下一步需要將每個(gè)經(jīng)過分詞后的單詞轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的嵌入表征。這樣一來，原本的 (17x1) token 將擴(kuò)展為 (17x4096) 維度的嵌入矩陣，即每個(gè) token 都將擁有一個(gè)長(zhǎng)度為 4096 的嵌入向量。

有一點(diǎn)需要注意，這些嵌入向量并未經(jīng)過歸一化處理，若不對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響。在下一節(jié)，我們將著手對(duì)輸入向量進(jìn)行歸一化操作。

08 使用 RMSNorm 進(jìn)行歸一化

為了確保輸入向量完成歸一化，我們將采用前文的 RMSNorm 公式來進(jìn)行處理。

《Root Mean Square Layer Normalization》 (??https://arxiv.org/abs/1910.07467??)

我們將使用來自 layers_0 的注意力權(quán)重，對(duì)尚未歸一化的嵌入向量進(jìn)行歸一化處理。選擇 layer_0 的原因在于，我們正著手構(gòu)建 LLaMA-3 transformer 架構(gòu)的第一層。

由于我們僅對(duì)向量進(jìn)行歸一化處理，并不涉及其他操作，所以向量的維度并不會(huì)發(fā)生變化。

09 注意力頭（Query，Key，Values）

首先，我們從模型中加載 query、key、value 和 output 向量。

從向量的維度上可以看出，我們下載的模型權(quán)重并非為單獨(dú)的注意力頭設(shè)計(jì)，因?yàn)椴捎昧瞬⑿刑幚砘虿⑿杏?xùn)練的方式，可以同時(shí)服務(wù)于多個(gè)注意力頭。不過，我們能夠分解這些矩陣，讓它們只適用于單個(gè)注意力頭。

在此，??32??? 代表 LLama-3 中注意力頭的數(shù)量，??128??? 是查詢向量的維度大小，??4096?? 則是 token 嵌入的維度大小。

我們可以通過以下方式，獲取到第一層中首個(gè)注意力頭的 query 權(quán)重矩陣：

要計(jì)算每個(gè) token 對(duì)應(yīng)的 query 向量，我們需要將該 token 的嵌入向量與 query 權(quán)重進(jìn)行相乘運(yùn)算。

由于 query 向量本身無法識(shí)別自己在提示詞文本中的具體位置，因此我們將借助 RoPE 技術(shù)，讓這些向量能夠感知其所在位置。

10 實(shí)現(xiàn) RoPE

我們將 query 向量分成兩個(gè)一組，接著對(duì)每一組實(shí)施旋轉(zhuǎn)角度（rotational angle）的調(diào)整，以此來區(qū)分它們。

此處要處理的是一個(gè)大小為 [17x64x2] 的向量，其實(shí)質(zhì)是將每個(gè)提示詞內(nèi)的 128 個(gè)長(zhǎng)度單位（128-length） 的 query 信息，劃分成 64 對(duì)。每一個(gè) query 對(duì)都將依據(jù) m*θ 角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這里的 m 即為 token 在序列中的位置。

為了實(shí)現(xiàn)向量的旋轉(zhuǎn)操作，我們會(huì)采用復(fù)數(shù)點(diǎn)積（the dot product of complex numbers）的計(jì)算方法。

完成分割過程后，接下來我們將對(duì)分割后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計(jì)算。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)為每個(gè) token 的 query 部分賦予了對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)值。接下來，我們就可以把這些 query 轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)，再依據(jù)它們各自在序列中的位置，運(yùn)用點(diǎn)積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)處理。

得到旋轉(zhuǎn)后的向量后，我們可以通過將之前的復(fù)數(shù)重新解釋為實(shí)數(shù)，從而恢復(fù)到最初以配對(duì)形式表示的 query 向量。

現(xiàn)在，旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)將進(jìn)行合并處理，然后得到一個(gè)全新的 query 向量（rotated query vector），其 shape 為 [17x128] 。此處的數(shù)字 17 代表 token 總數(shù)，而 128 則是 query 向量的維度大小。

處理 key 向量的方式與 query 向量的處理方式相似，不過要記得，key 向量也是 128 維的。由于 key 向量的權(quán)重在 4 個(gè)注意力頭（head）間共享，以盡量減少運(yùn)算量，因此其權(quán)重?cái)?shù)量?jī)H是 query 向量的四分之一。就像 query 向量一樣，key 向量也會(huì)通過旋轉(zhuǎn)（rotated）來融入位置信息（positional information），以此增強(qiáng)模型對(duì)序列位置的理解。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)獲得了每個(gè) token 對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)查詢向量與鍵向量（rotated queries and keys），其大小均為 [17x128] 。

11 實(shí)現(xiàn) Self Attention

通過將 query 矩陣與 key 矩陣相乘，我們會(huì)得到一組 score（相似性分?jǐn)?shù)），這些 score 對(duì)應(yīng)著每個(gè) token 與其他 token 之間的關(guān)聯(lián)度。具體來說，這些 score 表示每個(gè) token 的 query 向量與其 key 向量之間的相互關(guān)系。

[17x17] 這個(gè) Shape 表示的是注意力分?jǐn)?shù)（qk_per_token），其中數(shù)字 17 指的是提示詞文本中包含的 token 數(shù)量。

我們有必要對(duì) query-key scores （譯者注：此處應(yīng)當(dāng)指在計(jì)算注意力權(quán)重時(shí)，Query 矩陣和 Key 矩陣之間的匹配程度或相關(guān)性得分。）進(jìn)行屏蔽處理。在模型訓(xùn)練階段，為了確保模型僅利用歷史信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，我們會(huì)屏蔽掉未來 token 的 query-key scores。這一策略導(dǎo)致我們?cè)谶M(jìn)行推理時(shí)，會(huì)將所有未來 token 的 query-key scores 值都設(shè)定為零。

現(xiàn)在，我們需對(duì)每個(gè) token 的 query 向量和 key 向量實(shí)施遮掩操作。接著，我們打算在此之上應(yīng)用 softmax 函數(shù)，將得到的分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為概率值。這樣做有利于從模型的詞匯表（vocabulary）中挑選出可能性最高的 tokens 或 token 序列，進(jìn)而讓模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更易于理解，也更適用于語言生成、分類等應(yīng)用場(chǎng)景。

在 value 矩陣這里，自注意力機(jī)制告一段落。為了節(jié)約計(jì)算資源，類似地，value 矩陣權(quán)重在每四個(gè)注意力頭中被共享。最終，value 權(quán)重矩陣呈現(xiàn)出的 shape 為 [8x128x4096]。

與 query 矩陣和 key 矩陣類似，我們可以通過特定方法得到第一層及首個(gè)注意力頭的 value 矩陣。

通過值矩陣權(quán)重，我們計(jì)算出每一個(gè) token 的注意力值，最終得到一個(gè) shape 為 [17x128] 的矩陣。這里，17 指的是提示詞文本中的 token 總數(shù)，128 則是單個(gè) token 的值向量維度。

要獲取最終的注意力矩陣，我們只需進(jìn)行如下所示的乘法操作：

我們現(xiàn)在已經(jīng)獲得了第一層和第一個(gè)注意力頭的注意力值，這實(shí)際上就是所謂的自注意力值(self attention)。

12 實(shí)現(xiàn) Multi-Head Attention

接下來將通過一個(gè)循環(huán)過程，對(duì)第一層中的所有注意力頭重復(fù)進(jìn)行上述的計(jì)算步驟。

現(xiàn)在，第一層的所有 32 個(gè)注意力頭中的 QKV 注意力矩陣都已被計(jì)算出來，接下來，這些注意力分?jǐn)?shù)將被整合進(jìn)一個(gè)大小為 [17x4096] 的大矩陣中。

在 layer 0 attention （譯者注：可能是整個(gè) Transformer 模型理解和處理序列這一過程的第一步）中，收尾步驟是使用權(quán)重矩陣（weight matrix）去乘以堆疊起來的 QKV 矩陣。

我們現(xiàn)在已經(jīng)得到了應(yīng)用注意力機(jī)制處理之后的嵌入值（embedding values），這些變化應(yīng)當(dāng)被添加至原先的詞元嵌入（token embeddings）上。

接下來，我們會(huì)對(duì)嵌入值的變化進(jìn)行歸一化處理，然后將其送入前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（feedforward neural network）中進(jìn)一步加工。

13 實(shí)現(xiàn) SwiGLU 激活函數(shù)

由于我們已經(jīng)對(duì)前文介紹的 SwiGLU 激活函數(shù)有所了解，現(xiàn)在我們將把之前探討的那個(gè)公式運(yùn)用到這里。

SwiGLU: GLU Variants Improve Transformer (??https://kikaben.com/swiglu-2020/??)

14 整合上述模型組件

現(xiàn)在一切準(zhǔn)備就緒，我們需要合并代碼，從而構(gòu)建另外 31 個(gè)模型層。

15 見證模型如何基于文本輸入生成輸出

現(xiàn)在，我們已經(jīng)得到了最終的嵌入表征，這是模型預(yù)測(cè)下一個(gè)詞元（token）的依據(jù)。這一嵌入的結(jié)構(gòu)與普通的詞元嵌入（token embeddings）一致，為 [17x4096] ，意味著由 17 個(gè) token 構(gòu)成，每個(gè) token 的嵌入向量維度為 4096 。

接下來，我們可以把得到的嵌入表征轉(zhuǎn)換回具體的 token 值，完成從抽象表征到文本內(nèi)容的解碼過程。

在預(yù)測(cè)后續(xù)內(nèi)容時(shí)，我們會(huì)使用上一個(gè) token 的嵌入表征作為依據(jù)，以此推理出最可能的下一個(gè) token 值。

為了將一串 token IDs 轉(zhuǎn)換成可讀的文本，我們需要進(jìn)行生成文本的解碼過程，將 token IDs 對(duì)應(yīng)到具體的字符或詞匯上。

所以，我們輸入的是“the answer to the ultimate question of life, the universe, and everything is（“生命、宇宙以及萬物的終極問題的答案是”）”，而得到的模型輸出正是“42”，這正是正確答案。

各位讀者可以嘗試各種不同的提示詞文本，進(jìn)行各種各樣的實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)程序中，只需修改這兩行代碼即可，其他部分可保持不變！

Thanks for reading! Hope you have enjoyed and learned new things from this blog!

Fareed Khan

MSc Data Science, I write on AI

??https://www.linkedin.com/in/fareed-khan-dev/??

END

參考資料

[1]??https://llama.meta.com/llama3/??

[2]??https://mistral.ai/??

[3]??https://github.com/FareedKhan-dev/Building-llama3-from-scratch??

[4]??https://levelup.gitconnected.com/building-a-million-parameter-llm-from-scratch-using-python-f612398f06c2??

[5]??https://github.com/bzhangGo/rmsnorm/blob/master/rmsnorm_torch.py??

[6]??https://arxiv.org/pdf/2002.05202v1.pdf??

[7]??https://arxiv.org/pdf/2104.09864v4.pdf??

[8]??https://huggingface.co/join?next=%2Fmeta-llama%2FMeta-Llama-3-8B??

[9]??https://huggingface.co/meta-llama/Meta-Llama-3-8B??

[10]??https://huggingface.co/meta-llama/Meta-Llama-3-8B/tree/main/original??

[11]??https://huggingface.co/settings/tokens??

原文鏈接：

??https://levelup.gitconnected.com/building-llama-3-from-scratch-with-python-e0cf4dbbc306??