Qwen模型架构讲解直播：直播链接

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 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_idself.vocab_size = config.vocab_sizeself.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 processingself.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'smodules 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_embedsfor idx, decoder_layer in enumerate(self.layers):# 将所有的hidden_states保存成tupleif output_hidden_states:all_hidden_states += (hidden_states,)# 将hs送入每一层decoder_layerlayer_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layerhidden_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_sizeself.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。

1.1.2 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_statesoutputs = (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 = configself.layer_idx = layer_idxself.hidden_size = config.hidden_sizeself.num_heads = config.num_attention_headsself.head_dim = self.hidden_size // self.num_headsself.num_key_value_heads = config.num_key_value_headsself.num_key_value_groups = self.num_heads // self.num_key_value_headsself.max_position_embeddings = config.max_position_embeddingsself.rope_theta = config.rope_thetaself.is_causal = Trueself.attention_dropout = config.attention_dropoutif (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 attentionif 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 * groupreturn hidden_states.reshape(batch, num_key_value_heads * n_rep, slen, head_dim)

3.矩阵乘法得到score与output 后面就是征程的kqv相乘了

#(bs, head, seq_len, head_dim)
query = query.transpose(1, 2)
key = repeat_kv(key.transpose(1, 2), 4)
value = repeat_kv(value.transpose(1, 2), 4)
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:

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At,s,直接反映两个token的相对位置信息，又能拆解到向量 qt 和 ks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 ,其定义为:

可得，其本质就是: qt, ks旋转后的结果，就是 qt, ks乘上cos再加上 qt, ks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：

代码实现：
先定义旋转角度

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 = dimself.max_position_embeddings = max_position_embeddingsself.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_lent = 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_cachedemb = 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: �=(�100002�/�)
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.... 这种加权，体现出考虑前词关系。
• 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。
• 每一个矩阵乘法的结果相当于是下一个词的dim，那么score则是根据mask来判断，能通过前几个词对应dim的值从而进行加权，进而得到下一个词的该dim上的值。

- 对于推理的过程，问询不一样长没关系，因为所有的权重都是dim-dim，得到的attention_score是一个seq,seq的，权重跟seq的大小没关系。其都是后面的dim维度的参数。 - 推理过程的attention_mask可有可无，是一个一个吐，循环cat到下一个，每一次都取最后一个，代表着预测的是下一个token。

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 = configself.hidden_size = config.hidden_sizeself.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:

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 = epsdef forward(self, hidden_states):input_dtype = hidden_states.dtypehidden_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。