【GPT概念04】仅解码器（only decode）模型的解码策略

一、说明

在我之前的博客中，我们研究了关于生成式预训练转换器的整个概述，以及一篇关于生成式预训练转换器（GPT）的博客——预训练、微调和不同的用例应用。现在让我们看看所有仅解码器模型的解码策略是什么。

二、解码策略

在之前的博客中，我们将转换器视为一个函数，它接受输入并开始生成下一个标记或输出，同时进行自回归，即它在所有步骤中将自己的输出作为输入并生成输出。

在训练过程中，我们也以类似的方式进行训练，因为我们展示了某些文本，我们知道下一个单词是什么，我们要求它预测下一个标记是什么，然后根据最大标记的概率反向传播损失。下一个代币预测的想法可以迭代完成，以生成我们想要的任意数量的代币，并且可能会生成完整的故事。

例如，假设一个句子“你能不能拿一个从前开始的故事”，所以整个事情已经成为给模型的第一个“k”个标记，从这个时间步长开始，我们需要生成一个故事，其中标记的预测发生，直到我们满意或一旦我们到达序列的末尾<eos>。

鉴于模型已经过训练来预测下一个标记和一些额外的东西，我们将做一些称为“指令微调”的事情，现在我们希望模型在我给它某些输入的场景中工作，它必须从那里开始继续答案，所以给出的任何问题，或者如果给出一些段落并要求总结，那么它必须总结。

最初的微调问题，如预测情绪或像两个句子一样，是相似还是不相似——与我们使用现代 LLM 应用程序看到的相比，这些要容易得多，这些应用程序是更具创造性的应用程序，如（写诗等、写简历、建立网站等），所以这些是目前让我们感到惊讶的事情。显然，目前我们不知道这些高级 LLM（大型语言模型）如何能够产生如此精确和创造性的输出，但我们目前看到的是关于下一个单词预测如何发生的解码部分——我们知道的一件事是，如果我们要选择最大概率标记的过程，那么显然我们将获得与此相同的标记输出确定性输出。现在让我们看一些或一些解码策略，其中我们为每个策略都有一些创造性的输出，其中确定性将提供相同的输出，随机性将产生不同的输出。

详尽搜索：

假设我们想生成一个 5 个单词的序列，词汇表为 { cold， coffee， I ， like ， water， <stop>}

穷举搜索所有可能的序列和相关的概率，并输出具有最高概率的序列。

我喜欢冷水
我喜欢冷咖啡
像冷咖啡一样的咖啡
我喜欢我喜欢
咖啡咖啡咖啡咖啡

因此，对于每个句子输出，概率将是

P（x1， x2， x3,.....xn） = P（x1）.P（x2/x1）， ...........， P（xn/x1， x2， ......xn-1）

由于这是详尽的搜索 - 我们将通过解码过程找到所有可能的序列。在每个时间步长中，我们将传递所有单词

由于这里有 6 个单词，我们可以有这 6 个单词的分布，如下所示。

如果其中一个示例输入序列是“我喜欢冷咖啡<停止>”

上述序列的总概率将等于

P（I） * P（like/I）*P（冷/I，like）*P（咖啡/I，like，冷）

同样，序列的其他组合也将遵循与上述相同的模式，并给我们提供具有最大概率的输出——这种概率计算是在每个时间步对所有标记完成的。

因此，基于上述详尽的搜索，让我们假设这些是搜索空间中的概率

假设该序列在所有 |v|⁵ 序列中具有最高的概率——在上面的本例中，如果生成“我喜欢冷咖啡”序列作为最高概率，则结果将突出显示

通过这种详尽的搜索，无论我们计算多少次——对于给定的相同输入，我们都会得到相同的答案，我们看不到任何创造性的输出。这属于确定性策略。包含所有树类型输出的最终示例图如下所示 —

在这 9 种可能性中，以最大概率为准，它在时间步长 =2 时给出输出。如果我们的时间步长 = 3，那么我们将有 27 个具有概率的序列，并且我们对所有这 27 个序列都获得最高分。

如果 |v|= 40000，那么我们需要并行运行解码器 40000 次。

贪婪的搜索：

使用贪婪搜索 - 在每个时间步，我们总是以最高的概率输出令牌（贪婪）

p（w2 = like|w1=I） = 0.35

p（w3= 冷 | w1，w2） = 0.45

p（w4 = 咖啡 |w1，w2，w3） = 0.35

p（w5 = 止损 | w1， w2， s3， s4） = 0.5

则生成序列的概率为

p(w5,w1,w2,w3,w4) = 0.5*0.35*0.45*0.35*0.5 = 0.011

三、一些局限!

Is this the most likely sequence?

如果我们想得到各种相同长度的序列怎么办？

如果起始标记是单词“I”，那么它最终总是会产生相同的序列：我喜欢冷咖啡。

如果我们在第一个时间步中选择了第二个最可能的代币怎么办？

然后，后续时间步长中的条件分布将发生变化。则生成序列的概率为

p（w5，w1，w2，w3，w4） = 0.25*0.55*0.65*0.8*0.5 = 0.035

如果我们在第一个时间步中选择了第二个最可能的代币怎么办？

然后，后续时间步长中的条件分布将发生变化。那么生成的序列的概率为

p（w5，w1，w2，w3，w4） = 0.25*0.55*0.65*0.8*0.5 = 0.035

我们可以输出这个序列，而不是贪婪搜索生成的序列。当我们发送相同的输入令牌时，这也将产生相同的输出。贪婪地选择具有最大概率的令牌，每个时间步长并不总是给出具有最大概率的序列。

光束搜索：

不要考虑每个时间步长的所有标记的概率（如在穷举搜索中），而只考虑 top-k 标记

假设（k=2），在时间步长 = 2 时，我们有两个概率为 I ， cold 的标记，我们将有 12 个这样的序列。

现在我们必须选择使序列概率最大化的标记。它需要 k x |v|每个时间步的计算。在第二个时间步长，我们有 2 x 6=12 次计算，然后进行排名，我们选择最高概率序列。

让我们从上述概率分数中选出前 2 名。

按照类似的计算，我们最终选择时间步长 = 3 和 3 个单词或标记

现在，我们将在时间步长 T 的末尾有 k 个序列，并输出概率最高的序列。

参数 k 称为光束尺寸。它是穷举搜索的近似值。如果 k = 1，则它等于贪婪搜索。如果 k > 1，则我们正在进行波束搜索，如果 k = V，则我们正在进行穷举搜索。

现在让我们举一个例子，k = 2，标记词汇是 |v|。

以上 2 * |V|我们将再次取前 2 个概率的值

我们将有更多这样的序列，我们将只有 2 个序列继续前进——所以最后我们的流程图看起来像这样

贪婪搜索和光束搜索都容易退化，即它们可能是重复的，没有任何创造力。
贪婪搜索的延迟低于波束搜索
贪婪的搜索和光束搜索都无法产生创造性的输出
但请注意，波束搜索策略非常适合翻译和摘要等任务。

基本上，我们需要一些带有创造性答案或输出的惊喜——因此我们需要一些基于采样的策略，而不需要贪婪或光束搜索。

四、抽样策略 — Top -K

在这里，在每个时间步长中，考虑概率分布中的 top — k 个标记。

从 top-k 令牌中对令牌进行采样。假设 k = 2

在对代币进行采样之前，top-k 代币的概率将相对归一化为， P（I） = 0.61 ~ （0.25/ （0.25+0.4））， P（Coffee） = 0.39 ~ 0.4/（0.25+0.4）。

让我们假设并创建一个随机数生成器，它预测介于 0 和 1 之间 — rand（0,1）。假设如果获得的数字是 ~0.7，那么咖啡将是作为输入的单词或标记，如果再次生成的随机数是 ~0.2，那么在时间步长 2 中，单词或标记“I”将是输入。

对前 2 个单词使用 top-K 采样生成的序列是

就像<停下来一样>

等价和<止损>的归一化概率分别为 0.15/（0.55+0.15）~0.23 和 0.55/（0.55+0.15） ~0.77。

现在我们运行 Rand 函数来生成从 0 到 1 的数字——假设如果值为 0.9，则输出<stop> 将是输出，那么结果过程将就此停止。下次当随机生成器输出为 0.5 时，我们将以“喜欢”作为结果。因此，通过进行这种随机生成，我们将获得不同的输出。可能是第一个“我”，生成“<停止>”——对于所有其他情况，结果可能会有所不同，如下所示。

惊喜是随机的结果。波束搜索与人类预测在每个时间步长上的预测相比如何？

如果我们看一下波束搜索，它会以非常高的概率产生输出，因此我们看不到任何惊喜——但是如果要求人类填写句子，我们将得到不同和随机的结果，概率非常小，因为人类预测具有高方差，而波束搜索预测具有低方差。给其他极有可能的代币一个机会会导致生成的序列出现多样性。

假设我们有 40K 词汇表中的前 5 个单词（I、go、where、now、then），概率分别为（0.3、0.2、0.1、0.1、0.3）。

如果随机生成器生成任意数字 b/w 0 和 1，并且基于该值，我们将选择或采样单词或标记以选择高概率值。我们必须记住，在这里我们不是从 40K 词汇表中随机选择样本，而是我们正在做的是，我们已经从 40K 词汇表中获得了前 5 个单词，并且从前 5 个单词或样本的子集中，我们正在创建序列——这里它是随机的，但它是序列的受控随机选择。