AI大語言模型的原理、演進(jìn)及算力測算專題報告

核心觀點：

機(jī)器學(xué)習(xí)中模型及數(shù)據(jù)規(guī)模增加有利于提高深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能。人工智能致力于研究能夠模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論方法及技術(shù)，并開發(fā)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)；其最終目標(biāo)是使計算機(jī)能夠模擬人的思維方 式和行為。機(jī)器學(xué)習(xí)是一門專門研究計算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為、以獲取新的知識或技能、重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)使之不斷改 善自身性能的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、計算機(jī)視覺、自然語言處理等領(lǐng)域。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的子集，主要由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成。與 傳統(tǒng)算法及中小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及海量的數(shù)據(jù)支撐將有效提高深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)性能。

Transformer模型架構(gòu)是現(xiàn)代大語言模型所采用的基礎(chǔ)架構(gòu)。Transformer模型是一種非串行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最初被用于執(zhí)行基于上下文的機(jī)器翻譯任務(wù)。Transformer模型以Encoder-Decoder架構(gòu)為基 礎(chǔ)，能夠并行處理整個文本序列，同時引入“注意機(jī)制”（Attention），使其能夠在文本序列中正向和反向地跟蹤單詞之間的關(guān)系，適合在 大規(guī)模分布式集群中進(jìn)行訓(xùn)練，因此具有能夠并行運算、關(guān)注上下文信息、表達(dá)能力強等優(yōu)勢。

Transformer模型以詞嵌入向量疊加位置編碼 作為輸入，使得輸入序列具有位置上的關(guān)聯(lián)信息。編碼器（Encoder）由Self-Attention（自注意力層）和 Feed Forward Network（前饋網(wǎng) 絡(luò)）兩個子層組成，Attention使得模型不僅關(guān)注當(dāng)前位置的詞語，同時能夠關(guān)注上下文的詞語。解碼器（Decoder）通過Encoder-Decoder Attention層，用于解碼時對于輸入端編碼信息的關(guān)注；利用掩碼（Mask）機(jī)制，對序列中每一位置根據(jù)之前位置的輸出結(jié)果循環(huán)解碼得到當(dāng) 前位置的輸出結(jié)果。

GPT是基于Transformer架構(gòu)的大語言模型，近年迭代演進(jìn)迅速。構(gòu)建語言模型是自然語言處理中最基本和最重要的任務(wù)之一。GPT是基于Transformer架構(gòu)衍生出的生成式預(yù)訓(xùn)練的單向語言模型，通過對大 量語料數(shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)文本生成的目的；在結(jié)構(gòu)上僅采用Transformer架構(gòu)的Decoder部分。自2018年6月OpenAI發(fā)布GPT-1模 型以來，GPT模型迭代演進(jìn)迅速。GPT-1核心思想是采用“預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)”的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，服務(wù)于單序列文本的生成式任務(wù)；GPT-2在預(yù)訓(xùn) 練階段引入多任務(wù)學(xué)習(xí)機(jī)制，將多樣化的自然語言處理任務(wù)全部轉(zhuǎn)化為語言模型問題；GPT-3大幅增加了模型參數(shù)，更能有效利用上下文信息， 性能得到跨越式提高；GPT-3.5引入人類反饋強化學(xué)習(xí)機(jī)制，通過使用人類反饋的數(shù)據(jù)集進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，能夠使得模型輸出與人類意圖一致。

大語言模型的訓(xùn)練及推理應(yīng)用對算力需求帶來急劇提升。以GPT-3為例，GPT-3參數(shù)量達(dá)1750億個，訓(xùn)練樣本token數(shù)達(dá)3000億個?？紤]采用精度為32位的單精度浮點數(shù)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型及進(jìn)行谷歌級訪 問量推理，假設(shè)GPT-3模型每次訓(xùn)練時間要求在30天完成，對應(yīng)GPT-3所需運算次數(shù)為3.15*10^23FLOPs，所需算力為121.528PFLOPS，以A100 PCle芯片為例，訓(xùn)練階段需要新增A100 GPU芯片1558顆，價值量約2337萬美元；對應(yīng)DGX A100服務(wù)器195臺，價值量約3880.5萬美元。假設(shè)推 理階段按谷歌每日搜索量35億次進(jìn)行估計，則每日GPT-3需推理token數(shù)達(dá)7.9萬億個，所需運算次數(shù)為4.76*10^24FLOPs，所需算力為 55EFLOPs，則推理階段需要新增A100 GPU芯片70.6萬顆，價值量約105.95億美元；對應(yīng)DGX A100服務(wù)器8.8萬臺，價值量約175.12億美元。

01、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介

機(jī)器學(xué)習(xí)是實現(xiàn)人工智能的途徑之一

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的 技術(shù)科學(xué)。人工智能的最終目標(biāo)是使計算機(jī)能夠模擬人的思維方式和行為。機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）是實現(xiàn)人工智能的一種途徑，是一門專門研究計算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為、以獲取新 的知識或技能、重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身性能的學(xué)科。機(jī)器學(xué)習(xí)包括數(shù)據(jù)、模型、算法三要素。從實踐上來看，機(jī)器學(xué)習(xí)是在大數(shù)據(jù)的支撐下，通過各種算法讓機(jī)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的統(tǒng) 計分析以進(jìn)行“自學(xué)”（訓(xùn)練模型），使人工智能系統(tǒng)獲得了歸納推理和決策能力。機(jī)器學(xué)習(xí)作為一套數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù) 挖掘、自然語言處理、機(jī)器視覺、搜索引擎、醫(yī)學(xué)診斷、生物特征識別、DNA序列測序、證券市場分析等領(lǐng)域。

模型及數(shù)據(jù)規(guī)模增加有利于提高深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning，DL）是機(jī)器學(xué)習(xí)的子集，由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）組成。深度學(xué)習(xí)模仿人腦中存在的相似結(jié)構(gòu)， 其學(xué)習(xí)是通過相互關(guān)聯(lián)的“神經(jīng)元”的深層的、多層的“網(wǎng)絡(luò)”來進(jìn)行的。典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可以分為三層：輸入層、隱藏層、輸出層。其中，輸入層（input layer）是指輸入特征向量；隱藏 層（hidden layer）是指抽象的非線性中間層；輸出層（output layer）是指輸出預(yù)測值。深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即包含更多隱藏層的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。相比于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更能在海量數(shù)據(jù)上發(fā)揮作用。若希望獲得更好的性能，不僅需要訓(xùn)練一個規(guī)模 足夠大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（即帶有許多隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，及許多參數(shù)及相關(guān)性），同時也需要海量的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)的規(guī)模及神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的計算性能，需要有強大的算力作為支撐。

CNN和RNN是常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

傳統(tǒng)常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）等。其中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network， CNN）多用于計算機(jī)視覺、自動駕駛、人臉識別、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、人機(jī)交互、智能安防等圖像應(yīng)用；相比于標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，CNN能夠 更好地適應(yīng)高緯度的輸入數(shù)據(jù)，卷積設(shè)計有效減少了模型的參數(shù)數(shù)量。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）常用于處理序列數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)中的時間依賴 性。由于語言都是逐個出現(xiàn)的，同時語言是時序前后相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，因此語言作為最自然表達(dá)出來的 序列數(shù)據(jù)，適合應(yīng)用RNN進(jìn)行語音識別、情感分類、機(jī)器翻譯、語言生成、命名實體識別等應(yīng)用。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）曾是自然語言處理的首選解決方案。RNN能夠在處理單詞序列時，將處理第一個詞的結(jié)果反饋到處理下一個詞的層， 使得模型能夠跟蹤整個句子而非單個單詞。但RNN存在缺點：由于這種串行結(jié)構(gòu)，RNN無法對于長序列文本進(jìn)行有效處理，甚至可能當(dāng)初始 單詞過遠(yuǎn)時“遺忘”相關(guān)信息。

02、Transformer模型結(jié)構(gòu)分析

Transformer模型以Encoder-Decoder架構(gòu)為基礎(chǔ)

《Attention is all your need》 by OpenAI 。作為與傳統(tǒng)的CNN、RNN不同的深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)，Transformer模型最初是被用于基于 上下文的機(jī)器翻譯模型。由于Transformer模型非串行結(jié)構(gòu)，能夠并行處理整個序列；同 時引入“注意機(jī)制”（attention），能夠在文本序列中正向和反向地跟蹤單詞之間的關(guān) 系，適合在大規(guī)模分布式集群中進(jìn)行訓(xùn)練。Transformer以Encoder-Decoder架構(gòu)為基礎(chǔ)。其中，編碼組件由多層編碼器（Encoder） 組成。解碼組件也是由相同層數(shù)的解碼器（Decoder）組成。Encoder用于提取源端語言 的語義特征，而用Decoder提取目標(biāo)端語言的語義特征，并生成相對應(yīng)的譯文。Transformer模型具有能夠并行運算、關(guān)注上下文信息、表達(dá)能力強等優(yōu)勢。

Transformer模型結(jié)構(gòu)分析——詞嵌入（Embedding）

詞嵌入是NLP最基礎(chǔ)的概念之一，表示來自詞匯表的單詞或者短語被映射成實數(shù)向量。最早的詞嵌入模型是word2vec等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 屬于靜態(tài)詞嵌入（不關(guān)注上下文）。例如大模型誕生前常用的RNN模型所用的輸入便是預(yù)訓(xùn)練好的詞嵌入。詞向量能夠?qū)⒄Z義信息與空間 向量關(guān)聯(lián)起來（例如經(jīng)典的詞類比例子：king、queen、man、woman對應(yīng)詞向量的關(guān)系）。詞嵌入產(chǎn)生要素及步驟：Vocabulary：所有的token組成集合。詞向量表：token與詞向量的一一對應(yīng)關(guān)系。詞向量可以由預(yù)訓(xùn)練產(chǎn)生，也可以是模型參數(shù)。查表：輸入的token都對應(yīng)一個固定維度的浮點數(shù)向量（詞嵌入向量）。位置編碼：表示序列中詞的順序，具體方法為為每個輸入的詞添加一個位置向量。根據(jù)位置編碼對應(yīng)計算公式，pos表示位置，i表示維度。位置編碼能夠讓模型學(xué)習(xí)到token之間的相對位置關(guān)系。

Transformer模型結(jié)構(gòu)分析——Encoder

編碼組件可由多層編碼器（Encoder）組成，同樣解碼組件也由相同層數(shù)的解碼器（Decoder）組成。一般來講，對于中間層的輸出向量，底層Encoder輸出的表示淺層含義，頂層Encoder輸出的表示深層含義。每個Encoder由兩個子層組成：Self-Attention層（自注意力層）和 Feed Forward Network（FFN，前饋網(wǎng)絡(luò)）組成。對于每一層Encoder，詞嵌入向量輸入會首先進(jìn)入Self-Attention層，Encoder對詞向量進(jìn)行編碼時，會對整句輸入的上下文均進(jìn)行Attention操作，從而關(guān)注 并使用到輸入句子的上下文的信息。Decoder端存在Cross-Attention層（Encoder-Decoder Attention層），用于解碼時對輸入部分的信息進(jìn)行Attention關(guān)注。

經(jīng)過Self-Attention層的輸入進(jìn)入前饋網(wǎng)絡(luò)，前饋網(wǎng)絡(luò)一般是全連接層網(wǎng)絡(luò)（并經(jīng)過非線性的激活函數(shù)，如ReLU函數(shù)）。全連接層是最基本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一個結(jié)點都與上一層的所有結(jié)點相連。ReLU函數(shù)：即修正線性單元（Rectified linear unit），又稱線性整流函數(shù)，通常指以斜坡函數(shù)及其變種為代表的非線性函數(shù)。激活函數(shù)：為使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有擬合函數(shù)的能力而引入非線性；如不引入非線性，則無論多少層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都相當(dāng)于一個線性映射。下一個Encoder的輸入是上一個Encoder的輸出，以此類推。

Transformer模型結(jié)構(gòu)分析——Multi-head Attention

Multi-head Attention即多頭注意力機(jī)制，采用 多組不同的線性變換對Q、K、V矩陣進(jìn)行映射并分別 計算Attention，再將不同的Attention結(jié)果拼接起 來進(jìn)行線性變換。Multi-head Attention本質(zhì)是在參數(shù)總量保持不 變的情況下，將Q、K、V映射到高維空間的不同子空 間進(jìn)行Attention計算，防止過擬合。

03、大規(guī)模語言模型算力需求測算（以GPT-3為例）

BERT和GPT是基于Transformer架構(gòu)的兩種大規(guī)模語言模型

構(gòu)建語言模型（Language Model，LM）是自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）中最基本和最 重要的任務(wù)之一，自然語言處理基于Transformer架構(gòu)衍生出了兩種主流大語言模型（Large Language Model， LLM）——BERT和GPT。二者都是無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練的大語言模型。BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformer）能夠生成深度雙向語言表征，是采用帶 有掩碼（mask）的大語言模型，類似于完形填空，根據(jù)上下文預(yù)測空缺處的詞語。結(jié)構(gòu)上，BERT僅采用Transformer 架構(gòu)的Encoder部分。

GPT（Generative Pre-training Transformer）是生成式預(yù)訓(xùn)練的單向語言模型。通過對大量語料數(shù)據(jù)進(jìn)行無 監(jiān)督學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)文本生成的目的。結(jié)構(gòu)上，GPT僅采用Transformer架構(gòu)的Decoder部分。自2018年6月起OpenAI發(fā)布GPT-1模型以來，GPT更新?lián)Q代持續(xù)提升模型及參數(shù)規(guī)模。隨著OpenAI于2022年11月30 日發(fā)布ChatGPT引爆AI領(lǐng)域，海內(nèi)外科技公司紛紛宣布發(fā)布大語言模型。用戶爆發(fā)式增長對大語言模型的算力需求帶 來挑戰(zhàn)。

GPT-1：預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)的半監(jiān)督學(xué)習(xí)模型

《Improving Language Understanding by Generative Pre-Training》 by OpenAI。GPT-1是生成式預(yù)訓(xùn)練模型，核心思想是“預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)”的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，目標(biāo)是服務(wù)于單序列文本的生成式任務(wù)。生成式：表示模型建模的是一段句子出現(xiàn)的概率，可以分解為基于語言序列前序已出現(xiàn)單詞條件下后一單詞出現(xiàn)的條件概率之乘積。四大常見應(yīng)用：分類、蘊含、相似、選擇，分類：每段文本具有對應(yīng)標(biāo)號，將文本按標(biāo) 號進(jìn)行分類 ，蘊含：給出一段文本和假設(shè)，判斷該段文本 中是否蘊含該假設(shè)，相似：判斷兩段文本是否相似（用于搜索、 查詢、去重等） ，選擇：對有多個選項的問題進(jìn)行回答。

GPT-2：強調(diào)多任務(wù)的預(yù)訓(xùn)練模型

《Language Models are Unsupervised Multitask Learners》 by OpenAI，預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)的范式只能對于特定自然語言處理任務(wù)（例如問答、機(jī)器翻譯、閱讀理解、提取摘要等）使用特定的數(shù)據(jù)集 進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)，單一領(lǐng)域數(shù)據(jù)集缺乏對多種任務(wù)訓(xùn)練的普適性。GPT-2在預(yù)訓(xùn)練階段便引入多任務(wù)學(xué)習(xí)機(jī)制，通過加入各種NLP 任務(wù)所需要的數(shù)據(jù)集，在盡可能多的領(lǐng)域和上下文中收集屬于對 應(yīng)任務(wù)的自然語言。由此得到的GPT-2模型可以以zero-shot的方 式被直接應(yīng)用于下游任務(wù)，而無需進(jìn)行有監(jiān)督的精調(diào)。GPT-2將多樣化的的NLP任務(wù)全部轉(zhuǎn)化為語言模型問題。語言提 供了一種靈活的方式來將任務(wù)，輸入和輸出全部指定為一段文本。對文本的生成式建模就是對特定任務(wù)進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)。

GPT-3：能夠舉一反三的大語言模型

《Language Models are Few-Shot Learners》 by OpenAI。相比GPT-2，GPT-3大幅增加了模型參數(shù)。GPT-3是具有1750億個參數(shù)的自回歸語言模型，更能有效利用上下文 信息。對于特定的下游任務(wù)，GPT-3無需進(jìn)行任何梯度更新或微調(diào)，僅需通過與模型交互并提供少量范例即可。特點：1、模型規(guī)模急劇增加（使得模型性能提升迅猛）；2、實現(xiàn)few-shot learning。in-context learning：對模型進(jìn)行引導(dǎo)，使其明白應(yīng)輸出什么內(nèi)容。Q：你喜歡吃蘋果嗎？A1：我喜歡吃。A2：蘋果是什么？A3：今天天氣真好。A4：Do you like eating apples? 采用prompt提示語：漢譯英：你喜歡吃蘋果嗎？請回答：你喜歡吃蘋果嗎？

GPT-3模型對GPU與AI服務(wù)器需求展望

根據(jù)結(jié)論，1個參數(shù)量為1750億個的GPT-3模型在訓(xùn)練階段需要新增1558顆A100 GPU芯片，對應(yīng)價值為2337萬美元，需要195臺 DGX A100服務(wù)器；在推理階段需要新增70.6萬顆A100 GPU芯片，對應(yīng)價值為105.95億美元，需要8.8萬臺DGX A100服務(wù)器。考慮 一臺DGX A100服務(wù)器售價19.9萬美元，則在訓(xùn)練階段DGX A100服務(wù)器價值量為3880.5萬美元，推理階段DGX A100服務(wù)器價值量 為175.12億美元。英偉達(dá)（Nvidia）是一家人工智能計算公司，其GPU產(chǎn)品和架構(gòu)為科學(xué)計算、人工智能（AI）、數(shù)據(jù)科學(xué)、自動駕駛汽車 （AV）、機(jī)器人、元宇宙和3D互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)建平臺。FY23英偉達(dá)收入為269.74億美元。若按上述結(jié)論，GPT-3新增GPU價值達(dá)到英 偉達(dá)公司FY23收入的39.4%。

據(jù)IDC數(shù)據(jù)，受益于全球經(jīng)濟(jì)的快速復(fù)蘇，2021年用戶對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的投資持續(xù)上漲，全球服務(wù)器市場出貨量為1353.9 萬臺。據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，截至2022年底預(yù)計搭載GPGPU（General Purpose GPU）的AI服務(wù)器年出貨量占整體服務(wù)器比例近1%。若采用上述數(shù)據(jù)大致估算，GPT-3新增AI服務(wù)器數(shù)量達(dá)到2021年全球AI服務(wù)器數(shù)量的65.35%。

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審核編輯 ：李倩