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在自然语言处理（NLP）中，预训练语言模型（LLMs, Large Language Models）通常基于不同的架构，如仅编码器的模型（Encoder-only）、编码器-解码器的模型（Encoder-Decoder），以及仅解码器的模型（Decoder-only）。这三种架构有着显著的区别，主要体现在功能、适用任务和性能上。下面从架构、功能、任务适用性、训练数据和推理能力等多个角度详细分析。

1. 架构（Architecture）

• 仅编码器的模型（Encoder-only LLMs）

  • 该架构仅包含一个编码器网络，类似于BERT等模型。编码器主要负责将输入序列（如句子或文本片段）转换为一个高维的语义向量表示。
  • 编码器通过自注意力机制学习输入文本的上下文关系，输出与输入长度一致的向量表示。

• 编码器-解码器的模型（Encoder-Decoder LLMs）

  • 该架构包括两个部分：编码器和解码器。编码器将输入序列编码为隐向量（latent representations），然后解码器将这些隐向量解码为目标序列（如翻译生成的文本）。
  • 编码器负责处理输入文本，解码器通过注意力机制从编码器的输出中提取信息，并生成输出文本。

• 仅解码器的模型（Decoder-only LLMs）

  • 该架构只有一个解码器，没有独立的编码器模块。GPT系列模型就是典型的解码器架构。
  • 解码器通过自回归生成（autoregressive generation） 的方式，基于已生成的部分预测下一步的输出，直到生成完整的文本序列。

2. 功能特点（Functional Differences）

• 仅编码器的模型

  • 编码器的主要功能是进行文本的表示学习，它能够很好地捕捉句子或文本片段的语义信息。
  • 通常用于文本分类、句子对比（如自然语言推理）以及实体识别等任务。
  • 其主要优势在于，整个输入在模型推理过程中同时被处理，能有效建模长距离依赖关系。

• 编码器-解码器的模型

  • 这种架构同时具备编码和解码功能，因此非常适合序列到序列任务（sequence-to-sequence tasks），如机器翻译、文本摘要生成等。
  • 编码器-解码器模型在处理长文本时表现优秀，因为编码器可以将长文本转换为紧凑的语义表示，解码器根据这个语义表示生成目标输出。

• 仅解码器的模型

  • 这种模型主要用于生成式任务，适合文本生成、问答生成、对话生成等任务。
  • 它通过自回归的方式逐步生成文本，生成下一个词时只考虑之前的词，因此更适合需要逐步生成文本的任务。
  • 与编码器不同，解码器具有更强的生成能力，尤其是在大规模语言模型（如GPT-3）中。

3. 任务适用性（Task Suitability）

• 仅编码器的模型

  • 适合用于理解任务，如文本分类、情感分析、命名实体识别（NER）、文本匹配等。由于没有解码器，无法直接用于生成类任务。
  • 例如：BERT 在文本分类、QA任务中表现出色，但不擅长生成。

• 编码器-解码器的模型

  • 适合处理需要将输入映射为另一种输出的任务，如机器翻译、摘要生成、问答生成等。
  • 例如：T5、BART这类模型在翻译和文本生成类任务中具有较好表现。

• 仅解码器的模型

  • 主要用于文本生成任务，如文本生成、对话系统、代码生成等。由于缺乏编码器部分，通常不用于复杂的理解类任务。
  • 例如：GPT-3在开放式文本生成任务中非常强大，但在需要精细理解的任务中略显不足。

4. 训练与推理（Training and Inference）

• 仅编码器的模型

  • 训练时通常使用双向注意力（bidirectional attention），即模型在预测每个词时会考虑上下文的所有词。
  • 推理时，输入通常是一个固定长度的序列，输出是该序列的语义表示。
  • 适合一次性处理整个输入，但不擅长逐步生成。

• 编码器-解码器的模型

  • 训练时编码器负责处理完整输入，而解码器逐步生成输出，解码器在生成每个词时可以回溯到编码器输出的所有隐向量。
  • 推理时，编码器可以处理较长的输入，解码器则通过自回归生成来产生输出序列。

• 仅解码器的模型

  • 使用自回归训练和推理，即模型通过学习每一步生成当前词，直到达到序列的终点。注意力机制只允许查看之前生成的词。
  • 在推理时逐词生成，非常适合开放式生成任务。

5. 复杂度与计算效率（Complexity and Efficiency）

• 仅编码器的模型

  • 由于仅包含编码器部分，计算复杂度相对较低，但它不能处理生成类任务，因此在文本生成等任务中需要结合其他模型或机制。
  • 比如，BERT在大多数理解类任务中计算效率较高，但它不能直接进行生成。

• 编码器-解码器的模型

  • 包含两个模块，计算复杂度较高，但更具灵活性。适合那些需要同时处理输入和输出的任务。
  • 如T5等模型的架构使其能处理更复杂的序列转换任务，但推理速度相对较慢。

• 仅解码器的模型

  • 在处理生成任务时表现出色，但由于是逐步生成，每一步都需要依赖前一步的输出，因此推理时间较长。
  • 大规模的解码器模型如GPT-3在生成文本时效率不高，尤其是处理较长文本时。

6. 训练数据需求（Training Data Requirements）

• 仅编码器的模型

  • 通常在双向上下文数据上进行训练，适合从大量未标注数据中学习语言的语义表示。

• 编码器-解码器的模型

  • 需要同时有输入和输出对的数据，尤其是在翻译或摘要任务中，需要大量的并行语料。

• 仅解码器的模型

  • 主要依赖大规模的文本生成数据，可以通过海量的未标注文本进行训练，学习语言生成的规律。

总结

• 仅编码器的模型（如BERT）：适合理解类任务，具备强大的语义表示能力，但不擅长生成。
• 编码器-解码器的模型（如T5, BART）：适合处理序列到序列的任务，能够同时理解和生成文本。
• 仅解码器的模型（如GPT）：适合生成类任务，尤其擅长在开放式生成任务中表现出色，但对复杂的文本理解任务不如编码器或编码器-解码器架构。

代表模型

下图是近年来具有代表性的大语言模型（LLMs）。从下到上依次为：仅编码器的模型（Encoder-only）、编码器-解码器的模型（Encoder-Decoder），以及仅解码器的模型（Decoder-only）。实心方块表示开源模型，空心方块表示闭源模型。

图片来源：https://arxiv.org/abs/2306.08302