LLM主流框架：Causal Decoder、Prefix Decoder和Encoder-Decoder

本文将介绍如下内容：

• transformer中的mask机制
• Causal Decoder
• Prefix Decoder
• Encoder Decoder
• 总结

一、transformer中的mask机制

在Transformer模型中，mask机制是一种用于在self-attention中的技术，用以控制不同token之间的注意力交互。具体来说，Transformer中使用两种类型的mask：padding mask 和sequence mask**。**

1、Padding mask（填充掩码）

Padding mask（填充掩码）：在自注意力机制中，句子中的所有单词都会参与计算。但是，在实际的句子中，往往会存在填充符（比如-1），用来填充句子长度不够的情况。Padding mask就是将这些填充符对应的位置标记为0，以便在计算中将这些位置的单词忽略掉。
例如，假设我们有一个batch_size为3、句子长度为5的输入序列：

[
    [1, 2, 3, -1, -1], 
    [2, 3, -1, -1, -1], 
    [1, -1, -1, -1, -1]
]

其中-1表示填充符，用于填充长度不到5的位置。则padding mask为:

[
    [1, 1, 1, 0, 0], 
    [1, 1, 0, 0, 0], 
    [1, 0, 0, 0, 0]
]

其中1表示可以参与计算的位置，0表示需要被忽略的位置。例如，第一句话前三个位置有具体的词，对应设为1；而最后两个位置是padding，对应设为0。huggingface的BertTokenizer分词所返回的attention mask指的就是padding mask：https://huggingface.co/docs/transformers/glossary#attention-mask

2、Sequence mask（序列掩码）

sequence mask用于在Decoder端的self-attention中，以保证在生成序列时不会将未来的信息泄露给当前位置的单词。

例如，假设我们要生成一个长度为5的序列。在第i个位置上生成的单词，需要将前i-1个单词作为输入，但是不能将第i个位置以后的单词作为输入。这就需要使用sequence mask将第i个位置以后的单词掩盖掉。具体而言，sequence mask会将第i个位置以后的所有位置标记为0，表示在计算中需要忽略这些位置的信息。

本文要比较不同LLM架构，其实是在比较sequence mask。事实上，用户所使用的LLM所做的都是seq2seq任务，用户输入一个文本prompt，LLM对应输出一个文本completion。为了方便以后的讨论，采用A Survey of Large Language Models这篇综述中的例子，用户输入的prompt为A Survey of，期望语言模型的输出为Large Language Models。

二、Causal Decoder

Causal LM是因果语言模型，目前流行的大多数模型都是这种结构，别无他因，因为GPT系列模型内部结构就是它，还有开源界的LLaMa也是。Causal Decoder架构的典型代表就是GPT系列模型，**使用的是单向注意力掩码，**以确保每个输入token只能注意到过去的token和它本身，输入和输出的token通过Decoder以相同的方式进行处理。在下图中，灰色代表对应的两个token互相之间看不到，否则就代表可以看到。例如，”Survery”可以看到前面的“A”，但是看不到后面的“of”。Causal Decoder的sequence mask矩阵是一种典型的下三角矩阵。

Causal LM只涉及到Encoder-Decoder中的Decoder部分，采用Auto Regressive模式，直白地说，就是根据历史的token来预测下一个token，也是在Attention Mask这里做的手脚。

参照着Prefix LM，可以看下Causal LM的Attention Mask机制(左)及流转过程(右)。

三、Prefix Decoder

Prefix LM，即前缀语言模型，Prefix Decoder架构也被称为non-causal Decoder架构，该结构是Google的T5模型论文起的名字，望文知义来说，这个模型的”前缀”有些内容，但继续向前追溯的话，微软的UniLM已经提及到了。

Prefix LM其实是Encoder-Decoder模型变体，为什么这样说？解释如下：

(1) 在标准的Encoder-Decoder模型中，Encoder和Decoder各自使用一个独立的Transformer

( 2) 而在Prefix LM，Encoder和Decoder则共享了同一个Transformer结构，在Transformer内部通过Attention Mask机制来实现。

Prefix LM是输入部分采用双向注意力，而输出部分采用单向注意力；和Encoder-Decoder不同的是，处理输入和输出的模型参数是完全共享的，从这一点看，它又和causal Decoder比较接近，都属于Decoder-Only架构：

与标准Encoder-Decoder类似，Prefix LM在Encoder部分采用Auto Encoding (AE-自编码)模式，即前缀序列中任意两个token都相互可见，而Decoder部分采用Auto Regressive (AR-自回归)模式，即待生成的token可以看到Encoder侧所有token(包括上下文)和Decoder侧已经生成的token，但不能看未来尚未产生的token。

下面的图很形象地解释了Prefix LM的Attention Mask机制(左)及流转过程(右)。

Prefix LM的代表模型有UniLM、T5、GLM(清华滴~)

四、Encoder Decoder

Transformer最初被提出来的时候采用的就是Encoder-Decoder架构，模型包含两部分Encoder和Decoder，两部分参数独立。其中Encoder将输入序列处理为一种中间表示，而Decoder则基于中间表示自回归地生成目标序列，典型的LLM是Flan-T5。Encoder部分采用双向注意力，对应的prompt的每个token都可以互相看到；而Decoder部分仍然采用单向注意力，对应的completion仍然保证前面的token看不到后面的token：

五、总结

前缀语言模型可以根据给定的前缀生成后续的文本，而因果语言模型只能根据之前的文本生成后续的文本。

在 A Survey of Large Language Models 中有几种LLM更详细的对比：

注意力机制相关的对比如下：

模型架构	代表LLM	注意力机制	是否属于Decoder-Only
Causal Decoder	GPT3/ChatGPT	纯单向	YES
Encoder-Decoder	Flan-T5	输入双向	NO
Prefix Decoder	GLM-130B/ChatGLM-6B	输入双向，输出单向	YES

参考：

• LLM面面观之Prefix LM vs Causal LM
• 管中窥豹：从mask入手对比不同大语言模型的架构