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以下是三篇 2025 年关于大语言模型的综述论文:
「语言模型」是一种「人工智能系统」,旨在处理、理解和生成类似人类的语言。它们从大型数据集中学习模式和结构,使得能够产生连贯且上下文相关的文本,应用于翻译、摘要、聊天机器人和内容生成等领域。
「语言模型」(LMs)和「大型语言模型」(LLMs)这两个术语虽然经常被互换使用,但实际上它们基于规模、架构、训练数据和能力指代不同的概念。LLMs 是 LMs 的一个子集,其规模显著更大,通常包含数十亿个参数(例如,GPT-3 拥有 1750 亿个参数)。这种更大的规模使 LLMs 能够在广泛的任务中表现出卓越的性能。“LLM”这一术语在 2018 至 2019 年间随着基于 Transformer 架构的模型(如 BERT 和 GPT-1)的出现开始受到关注。然而,在 2020 年 GPT-3 发布后,这个词才被广泛使用,展示了这些大规模模型的重大影响力和强大能力。
大多数 LLMs 以「自回归方式」(Autoregressive)操作,这意味着它们根据前面的「文本」预测下一个「字」(或 token/sub-word)的「概率分布」(propability distribution)。这种自回归特性使模型能够学习复杂的语言模式和依赖关系,从而善于「文本生成」。
\[(\begin{array}{cc}w_1,w_2&,\ldots,w_{n-1}\end{array})\left(w_{n}\right)P(w_{n}|w_1,w_2,\ldots,w_{n-1},\ldots,w_{n-1})\]在文本生成任时,LLM 通过解码算法(Decoding Algorithm)来确定下一个输出的字。
这一过程可以采用不同的策略:既可以选择概率最高的下个字(即贪婪搜索),也可以从预测的概率分布中随机采样一个字。后一种方法使得每次生成的文本都可能有所不同,这种特性与人类语言的多样性和随机性颇为相似。
LLMs 的自回归特性使其能够基于前文提供的上下文逐词生成文本。从「提示」(prompt)开始,如下图,模型通过迭代预测下一个词,直到生成完整的序列或达到预定的停止条件。为了生成对提示的完整回答,LLM 通过将先前选择的标记添加到输入中进行迭代生成,尤如「文字接龙」游戏。
Vaswani 等人在 2017 年通过其开创性论文“Attention is All You Need”引入了 Transformer 架构,标志着 NLP 的一个分水岭时刻。它解决了早期模型如循环神经网络(RNNs)和长短期记忆网络(LSTMs)的关键限制,这些模型在长程依赖性和顺序处理方面存在困难。这些问题使得使用 RNN 或 LSTM 实现有效的语言模型变得困难,因为它们计算效率低下且容易出现梯度消失等问题。另一方面,Transformers 克服了这些障碍,彻底改变了这一领域,并为现代大型语言模型奠定了基础。
自注意力机制 (Self-Attention):与按顺序处理标记并难以应对长程依赖性的 RNN 不同,Transformers 使用自注意力来权衡每个标记相对于其他标记的重要性。这使得模型能够动态关注输入的相关部分。数学上:
\[\mathrm{Attention}(\mathbf{Q},\mathbf{K},\mathbf{V})=\mathrm{Softmax}\left(\frac{\mathbf{QK^T}}{\sqrt{d_k}}\right)\mathrm{V}\]这里,Q、K、V 是查询(query)、键(key)和值(value)矩阵,dₖ 是键的维度。自注意力允许并行计算,加快训练速度,同时提高全局上下文理解。
多头注意力:多个注意力头并行操作,每个头专注于输入的不同方面。它们的输出被连接并转换,从而实现更丰富的上下文表示。
前馈网络(FFN)和层归一化(Layer Norm):每个 Transformer 层包括应用于每个标记的前馈网络,以及层归一化和残差连接。这些稳定了训练并支持更深的架构。
位置编码:由于 Transformers 本身不编码标记顺序,因此添加了位置编码(位置和频率的正弦函数)以表示词序,在不牺牲并行化的情况下保留顺序信息。
Transformer 架构的引入为构建能够以前所未有的精确性和灵活性处理复杂任务的大规模高效语言模型奠定了基础。
2017 年 Transformer 架构的引入为 NLP 的新时代铺平了道路,其特点是预训练模型的兴起和对扩展的前所未有的关注。这一时期见证了两个有影响力的模型家族的出现:BERT 和 GPT,它们展示了大规模预训练和微调范式的强大功能。
2018 年,谷歌推出了 BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers),这是一种使用 Transformer 编码器(Encoder)的突破性模型,在广泛的 NLP 任务中取得了最先进的性能。
与之前单向处理文本(从左到右或从右到左)的模型不同,BERT 采用了双向训练方法,使其能够同时从两个方向捕获上下文。通过生成深层次的、上下文丰富的文本表示,BERT 在文本分类、命名实体识别(NER)、情感分析等语言理解任务中表现出色。
BERT 的关键创新包括:
BERT 的影响:BERT 的双向训练使其在 GLUE(通用语言理解评估)和 SQuAD(斯坦福问答数据集)等基准测试中取得了突破性的表现。它的成功证明了上下文嵌入的重要性 — — 这些表示根据周围词语动态变化 — — 并为新一代预训练模型铺平了道路。
虽然 BERT 优先考虑双向上下文理解,但 OpenAI 的 GPT 系列采用了不同的策略,专注于通过自回归预训练实现生成能力。通过利用 Transformer 的解码器(Decoder),GPT 模型在自回归语言模型和文本生成方面表现出色。
GPT (2018)GPT 的第一个版本于 2018 年发布,是一个大规模的 Transformer 模型,经过训练以预测序列中的下一个词,类似于传统语言模型。
GPT-2 (2019)在原版 GPT 的成功基础上,OpenAI 发布了 GPT-2,这是一个参数量达 15 亿的更大模型。GPT-2 展示了令人印象深刻的零样本(Zero-shot)能力,意味着它可以在没有任何特定任务微调的情况下执行任务。例如,它可以生成连贯的文章、回答问题,甚至在语言之间翻译文本,尽管没有明确针对这些任务进行训练。
GPT-3 (2020)GPT-3 的发布标志着语言模型规模扩展的一个转折点。凭借惊人的 1750 亿参数(175B parameters),GPT-3 突破了大规模预训练的可能性界限。它展示了显著的少样本(Few-short)和零样本(Zero-short)学习能力,在推理时只需提供最少或无需示例即可执行任务。GPT-3 的生成能力扩展到了创意写作、编程和复杂推理任务,展示了超大模型的潜力。
GPT 模型的引入,特别是 GPT-3,标志着 AI 的一个变革时代,展示了自回归架构和生成能力的强大功能。这些模型为内容创作、对话代理和自动推理等应用开辟了新的可能性,在广泛的任务中达到了接近人类的表现。GPT-3 凭借其 1750 亿参数证明了规模的深远影响,表明在大规模数据集上训练的更大模型可以树立新的 AI 能力标杆。
语言建模性能随着模型大小、数据集大小和训练使用的计算量的增加而平稳提升。 Scaling Laws for Neural Language Models
在 2018 年至 2020 年间,该领域由对规模的不懈追求驱动。研究人员发现,随着模型规模的增长 — — 从数百万到数十亿参数 — — 它们在捕捉复杂模式和泛化到新任务方面变得更好。这种规模效应得到了三个关键因素的支持:
这个规模扩展的时代不仅提升了语言模型的性能,还为未来的 AI 突破奠定了基础,强调了规模、数据和计算在实现最先进结果中的重要性。
GPT-3(一个拥有 1750 亿参数的 LLM)生成几乎无法与人类写作区分的文本的能力引发了关于 AI 生成内容的真实性和可信度的重大担忧。
尽管这一成就标志着 AI 发展的一个重要里程碑,但也突显了确保这些模型与人类价值观、偏好和期望保持一致的关键挑战。一个主要问题是「幻觉」(Hallucination),即 LLM 生成与事实不符、无意义或与输入提示矛盾的内容,给人一种「一本正经地胡说八道」的印象。
为了解决这些挑战,2021 年和 2022 年的研究人员专注于改善与人类意图的一致性并减少幻觉,导致了监督微调(SFT)和基于人类反馈的强化学习(RLHF)等技术的发展。
增强 GPT-3 对齐能力的第一步是监督微调(SFT),这是 RLHF 框架的基础组成部分。SFT 类似于指令调优,涉及在高质量的输入-输出对或演示上训练模型,以教它如何遵循指令并生成所需的输出。
这些演示经过精心策划,以反映预期的行为和结果,确保模型学会生成准确且符合上下文的响应。
然而,SFT 本身有局限性:
为了克服这些挑战,需要一种更具可扩展性和效率的方法,为下一步铺平了道路:基于人类反馈的强化学习(Reinforcement Learning from Human Feedback — RLHF)。
OpenAI 在 2022 年引入的 RLHF 解决了 SFT 的可扩展性和性能限制。与需要人类编写完整输出的 SFT 不同,RLHF 涉及根据质量对多个模型生成的输出进行排名。这种方法允许更高效的数据收集和标注,显著增强了可扩展性。
RLHF 过程包括两个关键阶段:
这个两阶段过程 — — 结合 SFT 和 RLHF — — 使模型不仅能够准确遵循指令,还能适应新任务并持续改进。通过将人类反馈整合到训练循环中,RLHF 显著增强了模型生成可靠、符合人类输出的能力,为 AI 对齐和性能设定了新标准。
2022 年 3 月,OpenAI 推出了 GPT-3.5,这是 GPT-3 的升级版,架构相同但训练和微调有所改进。关键增强包括通过改进数据更好地遵循指令,减少了幻觉(尽管未完全消除),以及更多样化、更新的数据集,以生成更相关、上下文感知的响应。
ChatGPT 的推出标志着 AI 的一个关键时刻,通常被称为「ChatGPT 时刻」(ChatGPT moment),因为它展示了对话式 AI 改变人机交互的潜力。
在 2023 年至 2024 年间,像 GPT-4V 和 GPT-4o 这样的多模态大型语言模型(MLLMs)通过将文本、图像、音频和视频整合到统一系统中重新定义了 AI。这些模型扩展了传统语言模型的能力,实现了更丰富的交互和更复杂的问题解决。
2023 年,OpenAI 推出了 GPT-4V,将 GPT-4 的语言能力与先进的计算机视觉相结合。它可以解释图像、生成标题、回答视觉问题,并推断视觉中的上下文关系。其跨模态注意力机制允许文本和图像数据的无缝集成,使其在医疗保健(如分析医学图像)和教育(如互动学习工具)等领域具有价值。
到 2024 年初,GPT-4o 通过整合音频和视频输入进一步推进了多模态。它在一个统一的表示空间中运行,可以转录音频、描述视频或将文本合成音频。实时交互和增强的创造力 — — 如生成多媒体内容 — — 使其成为娱乐和设计等行业的多功能工具。
现实世界的影响: MLLMs 革新了医疗保健(诊断)、教育(互动学习)和创意产业(多媒体制作)等领域。它们处理多种模态的能力解锁了创新的新可能性。
2024 年,AI 开发开始强调增强「推理」(Reasoning),从简单的模式识别转向更逻辑化和结构化的思维过程。这一转变受到认知心理学双重过程理论的影响,区分了「系统 1」(快速、直觉)和「系统 2」(缓慢、分析)思维。虽然像 GPT-3 和 GPT-4 这样的早期模型在生成文本等「系统 1」任务上表现出色,但在深度推理和问题解决方面却有所欠缺。
2024 年 9 月 12 日,OpenAI 发布的 o1-preview 标志着人工智能能力的重大飞跃,尤其是在解决复杂推理任务(如数学和编程)方面。与传统 LLMs 不同,推理模型采用了「长链思维」(Long CoT) — — 即内部的推理轨迹,使模型能够通过分解问题、批判自己的解决方案并探索替代方案来“思考”问题。这些 CoTs 对用户是隐藏的,用户看到的是一个总结性的输出。
推理模型的关键特性包括:
OpenAI-o1:
2024 年 12 月 5 日,OpenAI 的完整版 o1 模型进一步提升了性能,在美国 AIME 2024 数学考试中排名前 500 名学生之列,并显著超越了 GPT-4o(解决了 74%-93% 的 AIME 问题,而 GPT-4o 仅为 12%)。此外,o1-mini 作为更便宜且更快的版本,在编码任务中表现出色,尽管其成本仅为完整版 o1 的 20%。
OpenAI-o3:
2025 年 1 月 31 日,OpenAI 发布了 o3,这是其推理模型系列的最新突破,建立在 o1 模型成功的基础之上。尽管完整的 o3 模型尚未发布,但其在关键基准测试中的表现被描述为具有开创性。
OpenAI-o1 和 OpenAI-o3 推理模型的发布代表了人工智能领域的重大进步,通过结构化的内部推理过程提供了卓越的问题解决能力,并在复杂数学和编程任务中树立了新的标杆。
LLMs 通常需要极其庞大的计算资源来进行训练和推理。像 GPT-4o 和 OpenAI-o1 这样的最先进 LLM 模型的闭源性质限制了对尖端 AI 的「普及化」。
2024 年 12 月下旬,「深度求索-V3」(DeepSeek-V3)作为一种成本高效的开放权重 LLM 出现,为 AI 的可访问性设定了新标准。DeepSeek-V3 与 OpenAI 的 ChatGPT 等顶级解决方案相媲美,但开发成本显著降低,估计约为 560 万美元,仅为西方公司投资的一小部分。
该模型最多包含 6710 亿个参数,其中 370 亿个活跃参数,并采用专家混合(MoE)架构,将模型划分为专门处理数学和编码等任务的组件,以减轻训练负担。DeepSeek-V3 采用了工程效率,例如改进 Key-Value 缓存管理和进一步推动专家混合方法。该模型引入了三个关键架构:
DeepSeek-V3 的发布引发了全球科技抛售,危及 1 万亿美元的市值,并导致英伟达股票盘前下跌 13%。DeepSeek-V3 的价格为每百万输出标记 2.19 美元,约为 OpenAI 类似模型成本的 1/30。
仅仅一个月后,2025 年 1 月下旬,DeepSeek 通过发布 DeepSeek-R1-Zero 和 DeepSeek-R1 再次引起轰动,这些模型展示了卓越的推理能力,训练成本极低。
利用先进的强化学习技术,这些模型证明了高性能推理可以在没有通常与尖端 AI 相关的巨额计算费用的情况下实现。这一突破巩固了 DeepSeek 作为高效和可扩展 AI 创新领导者的地位。
DeepSeek-R1:为了解决 DeepSeek-R1-Zero 的局限性,如低可读性和语言混杂,DeepSeek-R1 纳入了一组有限的高质量冷启动数据和额外的 RL 训练。该模型经历了多个微调和 RL 阶段,包括拒绝采样和第二轮 RL 训练,以提高其通用能力和与人类偏好的一致性。
蒸馏 DeepSeek 模型:DeepSeek 开发了较小的、蒸馏版的 DeepSeek-R1,参数范围从 15 亿到 700 亿,将先进的推理能力带到较弱的硬件上。这些模型使用原始 DeepSeek-R1 生成的合成数据进行微调,确保在推理任务中表现出色,同时足够轻量化以便本地部署。
DeepSeek-R1 在各种基准测试中表现出竞争力,包括数学、编码、常识和写作。根据使用模式,它相比 OpenAI 的 o1 模型等竞争对手提供了显著的成本节省,使用成本便宜 20 到 50 倍。
从 2017 年 Transformer 架构的引入到 2025 年 DeepSeek-R1 的发展,大型语言模型(LLMs)的演变标志着人工智能领域的一个革命性篇章。LLMs 的崛起由四个里程碑式的成就标示:
LLMs 正逐步演变为多功能、多模态的推理系统,能够同时满足普通用户和特定需求。这一演变得益于突破性技术创新,以及在规模、易用性和成本效益上的显著提升,推动人工智能朝着更加包容和影响力深远的方向迈进。
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