一文读懂大模型训练全流程：从文本到智能的7个关键步骤
本文详细解析了大语言模型的完整训练流程，包括输入处理(分词、嵌入、位置编码)、解码器层结构(多头自注意力与前馈网络)、输出预测、反向传播，以及监督微调(SFT)、奖励建模(RM)和强化学习(PPO+RLHF)三阶段对齐技术。同时介绍了DPO替代方案及工程细节，揭示了GPT、Llama等模型从语言建模到人类对齐的技术演进。
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在人工智能浪潮中，大语言模型（LLM）已成为核心基础设施。但你是否真正理解：一个模型是如何从一段普通文本，一步步“学会说话”的？本文将带你深入大模型的训练全流程——从初始化、前向传播、损失计算，到反向传播、微调与对齐——用清晰的逻辑链条和专业术语，还原 GPT、Llama、DeepSeek 等主流模型背后的工程真相。
一、输入阶段：从文本到向量
一切始于一段原始文本，比如：“今天天气真好”。
1. Tokenization（分词）
首先，模型通过 Tokenizer 将文本切分为离散的 token。例如：
"今天天气真好" → [tok_今, tok_天, tok_气, tok_真, tok_好]
2. Embedding（嵌入）
每个 token 被映射为一个 d_model 维的向量（如 4096 维），这个过程由可学习的 Embedding 矩阵 完成：
- 形状：
(vocab_size, d_model) - 每个 token 对应一行向量
3. Positional Encoding（位置编码）
由于 Transformer 本身不具备顺序感知能力，需加入 位置信息。现代主流采用 RoPE（Rotary Position Embedding）：
- RoPE 使用旋转矩阵 $ R_m $，基于 cos cos cos 和 sin sin sin 函数构建
- 仅作用于 Query (Q) 和 Key (K) 向量，Value (V) 不加
- 相比传统绝对位置编码，RoPE 更擅长处理 长序列外推 和 相对位置关系
- 超参数
base=10000可动态调整（如 Llama 3 支持动态缩放）
最终，每个 token 的表示变为：
x = embedding(token) + positional_encoding(position)
二、Decoder 层内部：多头自注意力 + 前馈网络
Transformer 的核心是堆叠多个 Decoder 层（GPT 系列无 Encoder）。每层结构如下（以 Pre-LN 架构 为主流）：
x → LayerNorm → MultiHeadAttention → Residual Add (x + attn_output) → LayerNorm → FeedForward Network (FFN) → Residual Add → output
1. 多头自注意力机制（Multi-Head Self-Attention）
（1）线性投影：生成 Q, K, V
对输入向量 $ x in mathbb{R}^{d_{ ext{model}}} $，通过三个可学习权重矩阵：
-
$ W_Q, W_K, W_V in mathbb{R}^{d_{ ext{model}} imes d_k} $
-
实际实现中，PyTorch 的
nn.Linear包含 Weight 和 Bias 两个独立张量： -
weight: (out_features, in_features) -
bias: (out_features,)（注意：不是
(in, out)！）
⚠️ 注：在 Pre-LN 架构中，LayerNorm 后常省略 Bias，便于优化。
（2）计算注意力分数
对每个 head： $ ext{Attention}(Q, K, V) = ext{softmax}left( rac{QK^T}{sqrt{d_k}} ight) V $
- $ QK^T $ 衡量 token 之间的相关性
- 每个 token 作为“中心主题”，对其他 token 的 V 进行加权求和
（3）多头聚合
假设有 $ h $ 个 head（如 32），每个 head 输出维度为 $ d_k = d_{ ext{model}} / h $。
将所有 head 拼接后，通过 输出投影矩阵 $ W_O $ 聚合：
-
$ W_O in mathbb{R}^{(h cdot d_k) imes d_{ ext{model}}} = mathbb{R}^{d_{ ext{model}} imes d_{ ext{model}}} $
-
本质仍是
nn.Linear，作用包括： -
维度对齐
-
（确保输出与输入同维）
-
增强表达能力（通过升维+非线性）
-
解耦特征空间（不同任务可用不同投影）
2. 前馈网络（Feed-Forward Network, FFN）
FFN 是两层线性变换 + 激活函数（通常为 SwiGLU 或 ReLU）：
- 第一层：$ W_1 in mathbb{R}^{d_{ ext{model}} imes (4 cdot d_{ ext{model}})} $，升维放大特征
- 第二层：$ W_2 in mathbb{R}^{(4 cdot d_{ ext{model}}) imes d_{ ext{model}}} $，降维回原空间
💡 为何是 4 倍？这是经验设定（如原始 Transformer），现代模型可能调整（如 Mixtral 用 MoE）。
三、输出预测与训练目标
经过 N 层 Decoder 后，得到每个位置的上下文向量。仅取最后一个 token 的输出（因果语言建模）：
- 通过 共享权重的 Embedding 矩阵 投影到词表空间： $ ext{logits} = h_{ ext{last}} cdot W_{ ext{embed}}^T $
- 再经 Softmax 得到下一个 token 的概率分布
✅ 共享 Embedding 与输出层权重，可减少参数、提升泛化（Press & Wolf, 2017）
训练方式：Teacher Forcing
- 输入序列
[x1, x2, ..., xn] - 目标：预测
[x2, x3, ..., x_{n+1}] - 一次性计算整个序列的交叉熵损失（而非逐 token）
四、反向传播：让模型“自省”
计算总 loss 后，启动 反向传播：
- 从最后一层的 $ W_2 $ 开始，逐层更新所有可学习参数（$ W_Q, W_K, W_V, W_O, W_1, W_2, ext{Embedding} $ 等）
- 每次迭代，模型更“聪明”一点
- 完成全部训练数据的一轮遍历 = 1 epoch
此时模型已掌握语言统计规律，但尚不能可靠完成任务——它只是“会接话茬”。
五、对齐人类意图：后训练三阶段
阶段 1：监督微调（SFT, Supervised Fine-Tuning）
- 使用高质量 指令-回答对（如 Alpaca、ShareGPT）
- 学习格式、思维链（Chain-of-Thought）、代码等
- 模型开始具备“任务意识”
阶段 2：奖励建模（Reward Modeling, RM）
- 收集人类对同一问题多个回答的 偏好排序（Pairwise Ranking）
- 训练一个 Reward Model 来模拟人类打分
- 输入回答 → 输出标量奖励值
阶段 3：强化学习（PPO + RLHF）
-
使用 PPO（Proximal Policy Optimization） 优化策略
-
Loss 包含两项：
-
奖励最大化
-
：鼓励高 RM 分数的回答
-
KL 散度惩罚：防止偏离 SFT 模型太远（避免胡说八道）
-
这就是 RLHF（Reinforcement Learning from Human Feedback）
🔥 OpenAI 的核心绝招：SFT + (RM + PPO) 循环迭代
六、替代方案：DPO（直接偏好优化）
并非所有公司都能跑通复杂的 RLHF。于是 DPO（Direct Preference Optimization） 应运而生：
- 无需训练 Reward Model
- 直接利用偏好数据（一个 prompt + 两个回答：chosen vs rejected）
- 通过优化策略，拉高 chosen 回答的概率，压低 rejected 的概率
- 数学上等价于隐式优化奖励函数，但训练更稳定、高效
📌 Llama 3.1 就进行了 6 轮 DPO 循环，持续提升对齐效果。
七、工程细节补充
| 模块 | 关键点 |
|---|---|
| RoPE | 仅用于 Q/K；支持长文本外推；Llama 3 动态调整 base |
| LayerNorm 位置 | 原始论文：Post-LN；现代主流：Pre-LN（更稳定） |
| 参数存储 | PyTorch 中 weight 与 bias 独立存储，便于优化 |
| 模型差异 | DeepSeek 优化计算效率（牺牲精度）；Llama/GPT 训练流程一致，后训练策略不同 |
结语
大模型的训练，是一场从 语言建模 到 人类对齐 的长征。
预训练赋予它“知识”，SFT 赋予它“能力”，RLHF/DPO 赋予它“价值观”。
理解这一流程，不仅能看懂技术报告，更能洞察 AI 发展的本质逻辑——不是魔法，而是工程、数据与算法的精密交响。
延伸思考：未来是否会出现无需 RLHF 的对齐范式？DPO 会取代 PPO 吗？欢迎在评论区讨论！
参考文献
- Vaswani et al., Attention Is All You Need, 2017
- Christiano et al., Deep Reinforcement Learning from Human Preferences, 2017
- Rafailov et al., Direct Preference Optimization, 2023
- Touvron et al., Llama 3 Technical Report, 2024
被公众号格式兼容性差表示烦躁的一天😡
今天笔记信息量有点大，我也消化了好久
好好学习，天天向上。
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