深入剖析大模型原理 — Qwen Blog。主要包 Qwen2Config、Qwen2Model、Qwen2DecoderLayer、Qwen2Attention、Qwen2MLP、Qwen2RMSNorm等模块的详细介绍。
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深入剖析大模型原理——Qwen Blog
代码均参考transformers-4.39.3中的Qwen2模型实现，基于torch开发，代码路径为transformers-4.39.3/src/transformers/models/qwen2
https://github.com/huggingface/transformers/tree/v4.39.3/src/transformers/models/qwen2
Qwen的整体架构与Llama2类似，如下图所示:
**其中: **
tokenizer将文本转为词表里面的数值。- 数值经过
embedding得到一一对应的向量。 attention_mask是用来看见左边、右边，双向等等来设定。- 各类下游任务，
Casual,seqcls等，基本都是基础模型model后面接对应的Linear层，还有损失函数不一样。
1.0 Qwen2Config
Qwen2Config中包含一些自定义的超参数，例如vocab_size,hidden_size,num_hidden_layers, num_attention_heads等。类似于dict可以调用里面的超参数:config.pad_token_id。
1.1 Qwen2Model
1.1.1 初始化
- 设置了模型的两个属性:
padding_idx（用于指定填充标记的索引），vocab_size（词汇表的大小） - 初始化了模型的嵌入层、解码器层、归一化层
- 嵌入层（
nn.Embedding）：模型使用嵌入层将输入的标记映射成密集的向量表示。 - 解码器层（
nn.ModuleList()）：模型包含多个解码器层，这些层都是由Qwen2DecoderLayer` 定义 - 归一化层
Qwen2RMSNorm：归一化层使用的是 Root Mean Square Layer Normalization - 设置了是否使用
gradient_checkpoint主要是用来节省显存 - 调用
post_init()完成一些初始化和准备检查的代码
class Qwen2Model(Qwen2PreTrainedModel):
def __init__(self, config: Qwen2Config):
super().__init__(config)
self.padding_idx = config.pad_token_id
self.vocab_size = config.vocab_size
self.embed_tokens = nn.Embedding(config.vocab_size, config.hidden_size, self.padding_idx)
self.layers = nn.ModuleList(
[Qwen2DecoderLayer(config, layer_idx) for layer_idx in range(config.num_hidden_layers)]
)
self.norm = Qwen2RMSNorm(config.hidden_size, eps=config.rms_norm_eps)
self.gradient_checkpointing = False
# Initialize weights and apply final processing
self.post_init()
对于post_init函数： 主要是对参数进行初始化，以及初始化梯度检查点作用
def post_init(self):
"""
A method executed at the end of each Transformer model initialization, to execute code that needs the model's
modules properly initialized (such as weight initialization).
"""
self.init_weights()
self._backward_compatibility_gradient_checkpointing()
1.1.2 Forward
在此只对核心主干进行讲解:
inputs_embeds = self.embed_tokens(input_ids)
# embed positions
hidden_states = inputs_embeds
for idx, decoder_layer in enumerate(self.layers):
# 将所有的hidden_states保存成tuple
if output_hidden_states:
all_hidden_states += (hidden_states,)
# 将hs送入每一层decoder_layer
layer_outputs = decoder_layer(
hidden_states,
attention_mask=attention_mask,
position_ids=position_ids,
past_key_value=past_key_value,
output_attentions=output_attentions,
use_cache=use_cache,
)
# 取出上一层decoder_输出的hs,再传入下一个layer
# 只要第一个,第二个是cache的一个类，然后进入下一个layer
hidden_states = layer_outputs[0]
# 将最后layers输出后的hidden_states进行标准化
hidden_states = self.norm(hidden_states)
# 加上最后一层的hidden_states
if output_hidden_states:
all_hidden_states += (hidden_states,)
- 如果保存
output_hidden_states的话，就是第一个为input_ids进行emb，然后保存到n-1层的decoder_layer的输出hs，再加上最后一层layer的输出hs进行过norm后的hs. - 最后是以
BaseModelOutputWithPast的形式输出。
1.2 Qwen2DecoderLayer
1.2.1 初始化
layer三件套:attn+MLP+norm
QWEN2_ATTENTION_CLASSES = {
"eager": Qwen2Attention, # 一般情况下是这个
"flash_attention_2": Qwen2FlashAttention2,
"sdpa": Qwen2SdpaAttention,
}
class Qwen2DecoderLayer(nn.Module):
def __init__(self, config: Qwen2Config):
super().__init__()
self.hidden_size = config.hidden_size
self.self_attn = QWEN2_ATTENTION_CLASSES[config._attn_implementation](config, layer_idx)
self.mlp = Qwen2MLP(config)
self.input_layernorm = Qwen2RMSNorm(config.hidden_size, eps=config.rms_norm_eps)
self.post_attention_layernorm = Qwen2RMSNorm(config.hidden_size, eps=config.rms_norm_eps)
这里面的input_layernorm和post_attention_layernorm内容是一样的，只是应用的顺序不一样。
1.2.2 Forward
可配合图食用，效果更佳:
- 首先复制一份
hidden_states为residual,然后将hidden_states送入Norm,再送入attn模块。 - 得到
attn的输出后，再复制一份residual，再将hidden_states送入Norm，mlp，再与residual进行相加。最后输出的就是这个hidden_states啦。
residual = hidden_states
# 标准化后送入attn
hidden_states = self.input_layernorm(hidden_states) # RMSNorm标准化
# Self Attention
hidden_states, self_attn_weights, present_key_value = self.self_attn(
hidden_states=hidden_states,
attention_mask=attention_mask,
position_ids=position_ids,
past_key_value=past_key_value,
output_attentions=output_attentions,
use_cache=use_cache,
**kwargs,
)
# 残差与新的hidden_states相加
hidden_states = residual + hidden_states
# Fully Connected
residual = hidden_states
# 同样的RMSNorm标准化
hidden_states = self.post_attention_layernorm(hidden_states)
hidden_states = self.mlp(hidden_states)
hidden_states = residual + hidden_states
outputs = (hidden_states,)
return outputs
1.3 Qwen2Attention
1.3.1 初始化
核心参数解析:
num_key_value_heads:表示键值对的头数num_key_value_groups:表示键值对的组数，计算为num_heads//num_key_value_headsGQA的实现！！q_proj,k_proj,v_proj,o_proj四个Linear操作。后续LoRa也基本都对他动的刀子.
class Qwen2Attention(nn.Module):
"""Multi-headed attention from 'Attention Is All You Need' paper"""
def __init__(self, config: Qwen2Config):
super().__init__()
self.config = config
self.layer_idx = layer_idx
self.hidden_size = config.hidden_size
self.num_heads = config.num_attention_heads
self.head_dim = self.hidden_size // self.num_heads
self.num_key_value_heads = config.num_key_value_heads
self.num_key_value_groups = self.num_heads // self.num_key_value_heads
self.max_position_embeddings = config.max_position_embeddings
self.rope_theta = config.rope_theta
self.is_causal = True
self.attention_dropout = config.attention_dropout
if (self.head_dim * self.num_heads) != self.hidden_size:
raise ValueError(
f"hidden_size must be divisible by num_heads (got `hidden_size`: {self.hidden_size}"
f" and `num_heads`: {self.num_heads})."
)
self.q_proj = nn.Linear(self.hidden_size, self.num_heads * self.head_dim, bias=config.attention_bias)
self.k_proj = nn.Linear(self.hidden_size, self.num_key_value_heads * self.head_dim, bias=config.attention_bias)
self.v_proj = nn.Linear(self.hidden_size, self.num_key_value_heads * self.head_dim, bias=config.attention_bias)
self.o_proj = nn.Linear(self.num_heads * self.head_dim, self.hidden_size, bias=config.attention_bias)
self.rotary_emb = Qwen2RotaryEmbedding(
self.head_dim,
max_position_embeddings=self.max_position_embeddings,
base=self.rope_theta,
)
config里面的参数可直接看Qwen2Config里面的介绍
max_position_embeddings (`int`, *optional*, defaults to 32768):
The maximum sequence length that this model might ever be used with.
rope_theta (`float`, *optional*, defaults to 10000.0):
The base period of the RoPE embeddings.
1.3.2 Forward
- 首先将
hidden_states送入Linear中得到query、key与value。 - 使用旋转位置嵌入操作
rotary_emb，使用了旋转位置嵌入的余弦和正弦部分，将他们与query和key相乘，并将结果相加，从而实现旋转位置嵌入的效果。 - 将
key_states和value_states重复group次，再执行dot attn操作。 - 在
dot attn操作后得到attn_weights,加上attention_mask从而实现读取掩盖操作，在经过softmax与value_states相乘。得到attn_output。 - 再将上述的
attn_output进行reshape操作，送入o_proj，得到最终的输出。
# 获取形状信息,hidden_states输入的为(bs,T,hd)
bsz, q_len, _ = hidden_states.size()
# 对hidden_states进行Linear生成query、key、value
query_states = self.q_proj(hidden_states)
key_states = self.k_proj(hidden_states)
value_states = self.v_proj(hidden_states)
# reshape多头处理--分块--(bs,T,heads,hd_d)
query_states = query_states.view(bsz, q_len, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
key_states = key_states.view(bsz, q_len, self.num_key_value_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
value_states = value_states.view(bsz, q_len, self.num_key_value_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
# 将旋转位置嵌入应用于查询和键张量。使用了旋转位置嵌入的余弦和正弦部分，将它们与查询和键张量相乘，并将结果相加，从而实现旋转位置嵌入的效果
cos, sin = self.rotary_emb(value_states, seq_len=kv_seq_len)
query_states, key_states = apply_rotary_pos_emb(query_states, key_states, cos, sin, position_ids)
# 先将key_states和value_states重复了num_key_value_groups次
key_states = repeat_kv(key_states, self.num_key_value_groups)
value_states = repeat_kv(value_states, self.num_key_value_groups)
# 使用dot attn实现q*kT/hd_d^0.5
attn_weights = torch.matmul(query_states, key_states.transpose(2, 3)) / math.sqrt(self.head_dim)
# 然后 attn_weights 加上 attention_mask，实现读取顺序
attn_weights = attn_weights + attention_mask
# softmax + dropout + values_states相乘
attn_weights = nn.functional.softmax(attn_weights, dim=-1, dtype=torch.float32).to(query_states.dtype)
attn_weights = nn.functional.dropout(attn_weights, p=self.attention_dropout, training=self.training)
attn_output = torch.matmul(attn_weights, value_states)
# 转置，修改形状等reshape操作
attn_output = attn_output.transpose(1, 2).contiguous()
attn_output = attn_output.reshape(bsz, q_len, self.hidden_size)
# 最后在进行一次o_proj
attn_output = self.o_proj(attn_output)
# 返回结果
return attn_output, attn_weights, past_key_value
1.3.3 细节Debug
1.3.3.1 GQA
主旨:GQA和MQA不需要在推理的过程存储那么多的kv cache, 那么kv cache占用的显存就变小，那么我们LLM serving可以处理的请求数量就更多
1. 定义初始张量
import torch
## shape:(batch, seq_len, head, head_dim)
query = torch.randn(10, 128, 8, 128)
key = torch.randn(10, 128, 2, 128)
value = torch.randn(10, 128, 2, 128)
## 在此设置组数为4
groups = query.shape[-2] // key.shape[-2]
2. 之后进行扩展key，value的操作
在GQA中，key和value都要比query小group倍，但是为在后续做矩阵乘法时方便，我们需要先把key和value的head利用expand扩展张量到和query相同的维度。方便后续计算。
# 定义输入x， n_rep是需要重复的次数，在这里一般是组数
def repeat_kv(hidden_states: torch.Tensor, n_rep: int) -> torch.Tensor:
batch, num_key_value_heads, slen, head_dim = hidden_states.shape
# dont need repeat here means multi head attention
if n_rep == 1:
return hidden_states
# first we expand x to (bs, seq_len, head, group, head_dim)
hidden_states = hidden_states[:, :, None, :, :].expand(batch, num_key_value_heads, n_rep, slen, head_dim)
# reshape make head -> head * group
return hidden_states.reshape(batch, num_key_value_heads * n_rep, slen, head_dim)
- 矩阵乘法得到
score与output后面就是kqv相乘了 ```python #(bs, head, seq_len, head_dim) query = query.transpose(1, 2) key = repeat_kv(key, 4).transpose(1, 2) value = repeat_kv(value, 4).transpose(1, 2) scores = torch.matmul(query, key.transpose(2, 3)) / math.sqrt(head_dim) scores = torch.nn.functional.softmax(scores, dim=-1)
out = torch.matmul(scores, value) #上一步转置了，还得转回去 out = out.transpose(1, 2)
**补充：**
**为什么要用expand之后再reshape而不能直接用tensor自带的repeat?**
- `expand` 方法用于对张量进行扩展，但不实际分配新的内存。它返回的张量与原始张量共享相同的数据
- `repeat` 方法通过实际复制数据来扩展张量。它返回的新张量不与原始张量共享数据，扩展后的张量占用了更多的内存。
#### 1.3.3.2 apply_rotary_pos_emb
位置编码的含义是对每一个token的每一个dim赋予不同的位置信息。
公式定义:
<div align=center>
<img src='https://cdn.jsdelivr.net/gh/HuZixia/CloudGo/pictures/resources/qwen/ROPE1.png'>
</div>
概念：通过旋转编码，使得每个token既有相对位置信息，又有绝对位置信息。
- 既能以自注意力矩阵偏置的形式作用于 $A_{t,s}$,直接反映两个token的相对位置信息，又能拆解到向量 $q_{t}$ 和 $k_{s}$ 上，通过直接编码token的绝对位置实现。
- RoPE本质是实现对特征向量的旋转操作，如果以二维特征向量举例，对于相邻两个token来说，其对应同一个 $\theta$,其定义为:
<div align=center>
<img src='https://cdn.jsdelivr.net/gh/HuZixia/CloudGo/pictures/resources/qwen/ROPE2.png'>
</div>
可得，其本质就是: $q_{t}$, $k_{s}$ 旋转后的结果，就是 $q_{t}$, $k_{s}$乘上cos再加上 $q_{t}$, $k_{s}$翻转维度并取反一维后乘上sin。
- 对于高纬向量，由于奇、复数维度两两交错实现较为复杂，则现在可简化为将特征维度一切二，如下图所示，在实现过程中对前后各半进行的操作即为rotate_half操作：
<div align=center>
<img src='https://cdn.jsdelivr.net/gh/HuZixia/CloudGo/pictures/resources/qwen/ROPE3.png'>
</div>
**代码实现：**
先定义旋转角度
```python
class Qwen2RotaryEmbedding(nn.Module):
def __init__(self, dim, max_position_embeddings=2048, base=10000, device=None):
super().__init__()
# 定义初始值
self.dim = dim
self.max_position_embeddings = max_position_embeddings
self.base = base
# 定义旋转角
inv_freq = 1.0 / (self.base ** (torch.arange(0, self.dim, 2, dtype=torch.int64).float().to(device) / self.dim))
self.register_buffer("inv_freq", inv_freq, persistent=False)
# Build here to make `torch.jit.trace` work.
self._set_cos_sin_cache(
seq_len=max_position_embeddings, device=self.inv_freq.device, dtype=torch.get_default_dtype()
)
# 为seq里面的每个token形成独一无二的旋转角嵌入(外积)
def _set_cos_sin_cache(self, seq_len, device, dtype):
self.max_seq_len_cached = seq_len
t = torch.arange(self.max_seq_len_cached, device=device, dtype=torch.int64).type_as(self.inv_freq)
freqs = torch.outer(t, self.inv_freq)
# 生成角度信息(利用注册机制生成self.cos_cached与sin_cached
emb = torch.cat((freqs, freqs), dim=-1)
self.register_buffer("cos_cached", emb.cos().to(dtype), persistent=False)
self.register_buffer("sin_cached", emb.sin().to(dtype), persistent=False)
def forward(self, x, seq_len=None):
# x: [bs, num_attention_heads, seq_len, head_size]
if seq_len > self.max_seq_len_cached:
self._set_cos_sin_cache(seq_len=seq_len, device=x.device, dtype=x.dtype)
return (
self.cos_cached[:seq_len].to(dtype=x.dtype),
self.sin_cached[:seq_len].to(dtype=x.dtype),
)
首先要先生成角度: \(\theta = \left(\frac{1}{10000^{2n/d}}\right)\)
其中，n表示维度数，其取值范围为[0, 1, …, d/2-1]
然后将上述生成角度与每一个位置乘积，区分一个seq中各个词：其实等价于: \(\theta = \left(\frac{i}{10000^{2n/d}}\right)\)
其中: i为行数。
emb将二者cat起来，得到dim维度，每dim/2一循环：
然后，在取出位置编码信息cos与sin的时候，就是将seq的部分切出来，原先设置的1024是最大pos编码，每次用的时候只取当下seq_len的即可.之前求得外积，是为了保证seq里面得每一个词都能有不同的1024个位置编码。
进行旋转嵌入:
# 后半部分和前半部分进行了交换，并且将后半部分的符号取反。
def rotate_half(x):
"""Rotates half the hidden dims of the input."""
x1 = x[..., : x.shape[-1] // 2]
x2 = x[..., x.shape[-1] // 2 :]
return torch.cat((-x2, x1), dim=-1)
def apply_rotary_pos_emb(q, k, cos, sin, position_ids, unsqueeze_dim=1):
"""Applies Rotary Position Embedding to the query and key tensors.
query and key tensors rotated using the Rotary Position Embedding.
"""
cos = cos[position_ids].unsqueeze(unsqueeze_dim)
sin = sin[position_ids].unsqueeze(unsqueeze_dim)
q_embed = (q * cos) + (rotate_half(q) * sin)
k_embed = (k * cos) + (rotate_half(k) * sin)
return q_embed, k_embed
对应公式：
其中，下标t则表示位于同一行，也就是同一seq_len，对于相邻的两个元素，
1.3.3.3 读取顺序attention_mask
第一步的时候只能看到自己，第二步只能看到0、1…其余的都是负无穷。
经过softmax，对应负无穷的位置权重为0，从而实现只能从左往右。
attn形状为(bs,heads,T,T),values的形状为(bs,heads,T,hd),最终落实到[30,30]×[30,128]上，30表示一句话的步长，也就是总词数。value里面每一个词有128个维度来描述，对于第一个词，由于attn为下三角，所以每一个维度都只有第一个非零元素1进行相乘，其他的都是×0。- 对于第二行，则是前两个有不同的权值，让
value的128个维度分别依据这两个的权重，在128个维度上根据前两行，计算得出output的第二个词(第二步或者第二行)的128个维度…. - 第n步则对应有n个权重，用来描述从1到n个步之间的各个关系，进而计算出各个维度。
1.4 Qwen2 MLP
输入hidden_state并行送入两个Linear层，其中一个激活一下，再与另一个相乘，最终再经过一个Linear，输出最终结果。
class Qwen2MLP(nn.Module):
def __init__(self, config):
super().__init__()
# 这俩不必多说
self.config = config
self.hidden_size = config.hidden_size
self.intermediate_size = config.intermediate_size
# 三个全连接层
self.gate_proj = nn.Linear(self.hidden_size, self.intermediate_size, bias=False)
self.up_proj = nn.Linear(self.hidden_size, self.intermediate_size, bias=False)
self.down_proj = nn.Linear(self.intermediate_size, self.hidden_size, bias=False)
self.act_fn = ACT2FN[config.hidden_act]
def forward(self, x):
down_proj = self.down_proj(self.act_fn(self.gate_proj(x)) * self.up_proj(x))
return down_proj
1.5 Qwen2RMSNorm
计算公式:
其中:
- $x$是层的输入的
hidden_state - $w_i$ 表示的是
hidden_state的最后一个维度的值 - $n$ 表示上面输入的最后一个维度的数量。
- $\epsilon$ 表示是很小的数，防止除0。
class Qwen2RMSNorm(nn.Module): # 标准化层
def __init__(self, hidden_size, eps=1e-6):
"""
Qwen2RMSNorm is equivalent to T5LayerNorm
"""
super().__init__()
self.weight = nn.Parameter(torch.ones(hidden_size))
self.variance_epsilon = eps
def forward(self, hidden_states):
input_dtype = hidden_states.dtype
hidden_states = hidden_states.to(torch.float32)
variance = hidden_states.pow(2).mean(-1, keepdim=True)
hidden_states = hidden_states * torch.rsqrt(variance + self.variance_epsilon)
return self.weight * hidden_states.to(input_dtype)
torch.rsqrt表示输入的东西开根的导数。.pow(2).mean(-1, keepdim=True)表示对最后一个维度平方并取均值。
文档信息
- 本文作者：huzixia
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