从“一问一答”了解大语言模型的工作原理

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AI如何从你的问题中"拼出"答案？揭秘大语言模型背后的数学魔法。

核心内容：
1. 输入文字如何被拆解成词元并编码为数学向量
2. Transformer的自注意力机制如何理解词语关系
3. 模型如何将理解转化为逐字输出的答案

杨芳贤

53AI创始人/腾讯云(TVP)最具价值专家

你是否有过这样的疑惑：

当你问AI一个问题，它会思考片刻，然后开始逐字逐句往外“蹦出”答案。

AI这个“黑盒子”后面，到底发生了什么？

它真的在“思考”问题吗？

这个数字大脑是如何工作的？

让我们从一个简单的问答过程出发，来揭开大语言模型技术的神秘面纱。

第一步：

理解“输入”

想象一下，当模型看到你输入的文字，第一步不是像人一样直接理解语义，而是像处理一道复杂的数学题，需要先拆解、编码。

它把你输入的文字（无论是一个词、一句话还是一段话）切分成更基础的“零件块”，这些零件被称为“词元（即Token）”。一个词元可能是一个完整的词（如“天气”），也可能是词的一部分（如“un”、“ing”），甚至是标点符号。模型有一个庞大的“零件清单”，如同熟练的拼图玩家，能迅速将输入拆解成清单里能找到的最长片段序列。

接下来，是关键的一步：赋予意义。模型为每一个词元零件分配一个极其复杂的“数学身份证号”——一个由成百上千个数字组成的独特编码（称为词向量或嵌入）。这个“身份证号”非同小可：

意义相近的词元，其“身份证号”在数学空间里也靠近。比如“猫”和“狗”的号码就很相似；“奔跑”和“跳跃”也很接近。反之，“快乐”和“螺丝刀”的号码就天差地别。

同一个词，在不同语境下，“身份证号”会微调。 “苹果”在“我吃了一个苹果”里，号码会靠近“水果”圈子；在“苹果发布了新手机”里，号码则会向“科技公司”圈子偏移。这初步体现了上下文的重要性。

模型真正的力量在于它能将每个编号转化为一个复杂的多维向量。这个向量不是简单的数字，而是一个蕴含丰富信息的数学“指纹”。例如，“天空”的向量可能包含了位置（高处）、颜色（常蓝）、物理属性（气体）等潜在语义特征，这些特征在数百甚至数千个维度上被精确编码。

仅仅给零件编号还不够，理解句子的关键在于零件之间的关系和顺序。这时，模型的核心引擎——Transformer（转换器）开始轰鸣。它拥有一项绝技：“自注意力机制”。

你可以想象，当模型在处理句子中的某一个词元时，它能瞬间“点亮”句子中所有其他的词元，并快速判断：“哪些词对理解当前这个词最重要？” 例如：

在句子“小明把书还给了图书馆，因为它到期了”中，处理“它”时，聚光灯会强烈聚焦在“书”上，而不是“图书馆”或“小明”，从而正确推断指代关系。

在“虽然下雨了，但小明还是很高兴地去公园”中，处理“高兴”时，模型会权衡“虽然下雨了”（转折）和“去公园”（原因）对其情绪的影响。

这个“点亮”和“权衡重要性”的过程，让模型能捕捉词语之间复杂的联系——谁做了什么，什么修饰什么，什么和什么有因果关系，即使它们相隔很远。

这个过程在模型内部层层叠加、反复精炼。最终，你输入的整段文字被转化融合成一个极其复杂、高度浓缩了所有语义信息和上下文关联的“综合理解包”——一个代表了输入的全部含义的超级数学密码。

此刻，模型才算是初步“理解”了你的问题。这种“理解”，本质上是将你的输入模式，匹配到了它从海量文本数据中学到的庞大语言模式库中。

第二步：

“思考”过程

模型“读懂”了你的问题，拥有了一个浓缩的“综合理解包”。但这距离给出一个具体、相关、连贯的回答，还差关键一步：内部的信息激活、关联与整合。这，就是模型模拟“思考”的核心过程。它不像人类有意识地思考，而更像一场庞大神经网络中被触发的连锁反应。

想象这个“综合理解包”像一颗投入平静湖面的石子，会激起层层涟漪一样，它也会激活海量参数的关联网络。

在模型由数百亿甚至万亿参数构成的神经网络“大脑”中，这个理解包激活了大量与之相关的“神经通路”。这些通路是在它“阅读”互联网上海量书籍、文章、代码、对话时建立起来的复杂关联。

比如你问“为什么天空是蓝色的？”，模型内部与“光线”、“散射”、“瑞利散射”、“大气层”、“太阳光谱”、“人眼感知”等概念相关的网络区域会同时被“点亮”。

模型像一个拥有超强记忆力和直觉的模式匹配大师。它并非去答案库里搜索标准答案，而是在它训练时学到的统计规律和知识片段构成的汪洋大海中飞速航行。

它不断地问（当然，是无意识的数学计算）：基于我见过的所有文本模式，哪些信息组合起来最能匹配并解答当前这个问题？这个过程涉及：

广度搜索：它会把与问题核心相关的、可能分散在记忆各个角落的知识点（如光的波长、大气分子大小、不同颜色光的散射率差异）都关联、调取出来。

深度约束：它时刻被你的具体问题所约束（问的是“为什么”而不是“什么时候”，是“蓝色”而不是其他颜色），确保激活的信息是高度相关的，剔除无关噪声。

网络层协作：信息在模型内部复杂的神经网络层之间流动、交互、融合。底层的网络可能专注于基础语义和语法结构；中间层处理逻辑关系和简单推理；更高层的网络则负责更深层次的推理、知识整合、情感倾向（如果是相关任务）以及回答风格（正式、幽默、简洁等）的把握。每一层都对信息进行提炼、转换和增强。

 “专家”会诊（如MoE架构）：在一些先进模型中，问题可能被动态分配给内部不同的子网络（“专家”）。一个“专家”可能精通科学解释，另一个擅长步骤分解，还有一个善于举例说明。模型会根据问题类型，决定让哪些“专家”参与“会诊”，并巧妙地整合它们的“意见”（计算结果）。

上述的激活、匹配、整合并非瞬间完成，也非生成一个人类可见的提纲。而是经过内部网络层层叠叠的计算风暴，模型逐渐形成了一个关于“回答应该包含哪些核心信息点”、“这些信息点之间的大致逻辑关系是怎样的”、“回答的整体基调和风格如何”的高度复杂的、概率性的输出倾向。

这就像为即将生成的文本绘制了一个无形的、动态的“概率蓝图”。它不是具体的文字，而是指向最可能生成那种回答的神经活动模式。

第三步：

“说出”回答

有了内部形成的“概率蓝图”和持续演化的上下文，模型开始执行最后一步：逐字生成答案。

这个过程并非一蹴而就，而是像玩一个极其复杂、自我驱动的文字接龙游戏——自回归生成。

1. 起点：

模型基于“综合理解包”和内部形成的回答倾向，预测第一个最可能出现的词元（Token）。比如回答“天空为什么是蓝的？”，开头可能是“这”或“主要”或“因为”。

2. 核心动作：预测下一个“零件”：

此时，模型内部有一个覆盖所有可能词元的巨大“概率分布表”。它运用其强大的计算能力，根据当前的全部上下文（你的原始问题 + 它自己已经生成的所有词元），为词元清单里的每一个候选词元计算一个“可能性分数”（概率）。这个分数基于它在海量数据中学到的语言规律。

例如：如果它已经生成了“这是因为”，那么接下来：

     “太阳”可能获得高概率（关联光源），

     “光”或“光线”概率也很高（核心概念），

     “大气”概率高（作用介质），

     而“香蕉”或“唱歌”的概率则微乎其微。

3. 选择策略：艺术与可控的随机：

关键来了，模型是每次都选概率最高的那个词元吗？通常不会！如果总是选最高分，生成的文字会变得极其死板、重复，缺乏自然感和创造力（比如永远用“这是一个好问题”开头）。

为了让回答更像人类，更自然流畅，甚至带点小惊喜，模型会采用一些方法来创造可控的随机性：

抽签（采样）：模型根据每个词元的概率来“抽签”。概率高的词元被抽中的机会大，但概率低的词元也有渺茫的机会“中奖”。这带来了回答的多样性，避免千篇一律。

精英池抽签（Top-p/Nucleus采样）：更常用、更聪明的办法。模型会计算概率从高到低累积，只考虑那些累积概率达到某个高阈值（比如总概率的90%）的“精英词元”候选池，然后只在这个高质量的池子里“抽签”选一个。这样既保证了选出来的词元相关性强、质量高，又能保持一定的变化和趣味性。

调“创意温度计”（温度参数）：这是一个重要的控制旋钮，叫“温度（Temperature）”。想象一个温度计：

       调高温度（>1）：相当于“加热”概率分布。高分和低分词元之间的概率差异被“烫平”了，低分词元被选中的机会显著增加。输出结果会更随机、更多样化、更有“创意”，但也可能更不连贯或偏离主题。

       调低温度（<1）：相当于“冷却”概率分布。高分词元的概率更加突出，低分词元机会更渺茫。输出结果会更稳定、更可预测、更保守，更倾向于选择最常见、最安全的表达，但也可能显得平淡无趣。

4.  循环推进，滚雪球式生成：

一旦模型通过上述策略选定了一个词元（比如在“这是因为”之后选中了“太阳”），它就把这个词元也转换成其“数学身份证号”，添加到它正在处理的序列末尾。

现在，这个序列包含了你的原始问题和它刚刚生成的“太阳”。这个更新、更长的序列再次被送入模型的Transformer“引擎”核心。

模型基于这个更丰富的上下文（现在它知道自己在回答天空颜色，并且提到了“太阳”），重新计算下一个词元的概率分布（“太阳”后面可能高概率的是“发出的”、“光”或“光线”），然后再次进行预测和选择。

这个过程循环往复，像一个自我推进的引擎。每一个新生成的词元都成为下一次预测的上下文的一部分。

词元就这样一个接一个地“蹦”出来，句子逐渐成型、延伸。直到模型生成了一个特殊的“结束标记”（代表“我说完了”），或者达到了预设的回答长度限制。

结语：

无意识却强大的模式大师

大语言模型展现的“理解”、“思考”和“生成”，其本质是基于海量数据训练出的、对语言模式无与伦比的统计学习和概率计算能力。

“理解”输入：是将你的文字模式拆解、编码，并成功映射到它内部庞大的语义网络和统计模式库中。

“思考”过程：是输入模式在其复杂神经网络中激发的连锁反应——激活相关概念、匹配知识片段、整合信息逻辑，最终形成指向特定回答的“概率蓝图”。这个过程是动态的、分布式的，没有中央指挥官，只有无数参数协同计算出的倾向性。

“说出”答案：是在内部“蓝图”和持续更新的上下文指引下，像一个拥有无限词汇库和超强语感的超级接龙玩家，在概率的海洋中，以可控的随机性，一个字一个字地编织出连贯、相关且符合语义的文本。

它没有意识，不懂情感，不理解文字背后的真实世界。它的“智慧”表象，源于对庞大人类语言数据中蕴含的复杂模式、知识关联和表达习惯的深刻学习与模仿。

从文字输入到答案输出，是一场由Transformer架构驱动、在数十亿参数构成的神经网络中上演的、由数学和概率主导的精妙舞蹈。

它复现了人类语言的“形”与“神”，而其根基，来源于人工智能技术的三大底座——“数据、算法、算力”。