ChatGPT: От Гения до Безумца

Почему традиционные подходы к обработке текста не работали?

RNN обрабатывали текст слово за словом, сохраняя некое “состояние” (state) предыдущих слов. Это похоже на то, как человек читает книгу, запоминая предыдущие предложения, чтобы понять смысл текущего. Однако, чем длиннее становился текст, тем сложнее RNN было “помнить” информацию из самого начала. Это приводило к потере контекста и ошибкам в длинных предложениях или абзацах.

“Механизм внимания” (Attention Mechanism): как это позволяет AI понимать контекст.

Ключевое нововведение Трансформеров – это механизм внимания (Attention Mechanism). Он позволяет модели при обработке каждого слова “смотреть” (обращать внимание) на все предыдущие слова в последовательности и взвешивать их важность для понимания текущего слова.

Представьте, что вы читаете предложение: “Я пошел в магазин, чтобы купить хлеб, потому что он закончился”. Чтобы понять, что означает “он”, вам нужно обратить внимание на слово “хлеб” в этом предложении. Механизм внимания делает то же самое: он позволяет модели определить, какие слова наиболее релевантны для понимания смысла каждого слова в предложении.

Это как если бы вы, читая, могли выделить наиболее важные слова для каждого текущего слова. Механизм внимания делает это автоматически, вычисляя “коэффициенты внимания” между словами. Это позволило моделям гораздо эффективнее улавливать долгосрочные зависимости и понимать контекст в тексте.

“Токенизация”: разбиение текста на “кирпичики” понимания.

Прежде чем текст попадет в модель, он проходит процесс токенизации (tokenization). Компьютер не понимает слова или буквы как мы. Он работает с числами. Токенизация – это процесс разбиения текста на более мелкие единицы, называемые токенами (tokens). Токенами могут быть:

Целые слова (например, “кот”).

Части слов (например, “пре-“, “до-“, “-ние”).

Знаки препинания.

Каждому уникальному токену присваивается числовой идентификатор. Затем эти числовые идентификаторы (или их векторные представления, о которых мы поговорим позже) подаются на вход модели.

Принцип авторегрессии: как генерируется текст.

ChatGPT, как и другие модели семейства GPT (Generative Pre-trained Transformer), использует авторегрессию для генерации текста. Это означает, что модель предсказывает следующее слово (токен) на основе предыдущих сгенерированных слов.

Процесс генерации выглядит так:

Вы даете модели начальный запрос (prompt).

Модель обрабатывает запрос и предсказывает наиболее вероятное следующее слово.

Это предсказанное слово добавляется к последовательности.

Теперь модель обрабатывает уже расширенную последовательность (ваш запрос + первое сгенерированное слово) и предсказывает следующее слово.

Процесс повторяется до тех пор, пока модель не достигнет конца предложения, не сгенерирует специальный токен “конец текста” или пока не будет достигнут заданный лимит длины.

Этот пошаговый процесс, основанный на предсказании следующего элемента, и есть авторегрессия.

2.4. Масштаб Имеет Значение: “Большие” Языковые Модели (LLM)

Существует такое понятие, как “Большие Языковые Модели” (Large Language Models, LLM). ChatGPT – это яркий представитель именно таких моделей. Их “большой” размер – это не просто маркетинговое название.

Почему количество параметров важно?

“Параметры” в контексте нейронной сети – это, по сути, те самые веса и смещения, о которых мы говорили. Они определяют, как сеть обрабатывает информацию. Модели с миллиардами параметров (в случае GPT-3 – 175 миллиардов, в случае GPT-4 – еще больше) обладают огромной “емкостью” для хранения и обработки информации.

Большое количество параметров позволяет модели:

Запоминать больше фактов и знаний.

Улавливать более тонкие и сложные закономерности в языке.

Лучше справляться с разнообразными задачами.

Проявлять большую гибкость и адаптивность.

“Предварительное обучение” (Pre-training): обучение на огромных массивах текста.

LLM проходят два основных этапа обучения:

Предварительное обучение (Pre-training): Это самый ресурсоемкий этап. Модель обучается на гигантском, разнообразном наборе текстовых данных из интернета, книг и других источников. Основная задача на этом этапе – предсказание следующего слова (или заполнение пропусков). В результате модель приобретает общее понимание языка, грамматики, фактов о мире, логических связей. Это как получить фундаментальное образование по всем возможным предметам.

Дообучение (Fine-tuning): После предварительного обучения модель уже обладает широкими знаниями, но может быть неоптимальной для конкретных задач или желаемого поведения. На этом этапе модель дообучается на более специфических, часто меньших по объему, наборах данных.

Пример: Для создания ChatGPT, после предварительного обучения, модель проходит этап дообучения с использованием Reinforcement Learning from Human Feedback (RLHF). Люди оценивают ответы модели, и эти оценки используются для “подсказки” модели, какие ответы лучше, а какие хуже, чтобы она стала более полезной, честной и безвредной.

Масштаб – это ключевой фактор, который отличает современные LLM от их предшественников. Он позволяет им демонстрировать ту самую “магию”, которую мы наблюдаем при работе с ChatGPT.

Мы сделали первый шаг к пониманию того, как “работает” ChatGPT, заглянув в мир машинного обучения и нейронных сетей. Это лишь вершина айсберга, но уже сейчас видно, что за этой технологией стоят фундаментальные принципы, которые сделали возможным этот прорыв. В следующей главе мы углубимся в конкретную архитектуру, которая лежит в основе ChatGPT – архитектуру Трансформера – и разберем ее ключевые компоненты.

Мы уже понимаем общие принципы машинного обучения, но именно архитектура определяет, как именно модель решает задачи.

Глава 3: Архитектура ChatGPT: Как Всё Это Работает Вместе

В основе ChatGPT лежит одна из самых революционных архитектур в области обработки естественного языка – Трансформер (Transformer). Отказавшись от традиционных рекуррентных подходов, Трансформер позволил моделям гораздо лучше справляться с длинными текстами и улавливать сложные взаимосвязи между словами. В этой главе мы разберем, как именно устроена эта архитектура и какие ее компоненты делают ChatGPT таким мощным.

3.1. Основы Архитектуры Трансформера: Декодер-Фокусированная Модель

Архитектура Трансформера, впервые представленная в статье “Attention Is All You Need” (2017), изначально состояла из двух основных частей: кодировщика (Encoder) и декодировщика (Decoder).

Кодировщик: Его задача – взять входную последовательность (например, предложение на одном языке) и преобразовать ее в числовое представление (вектор), которое “кодирует” смысл этой последовательности.

Декодировщик: Его задача – взять это числовое представление и сгенерировать выходную последовательность (например, перевод предложения на другой язык).

Модели семейства GPT, к которым относится ChatGPT, используют только часть декодировщика из оригинальной архитектуры Трансформера. Поэтому ChatGPT часто называют “декодер-ориентированной” моделью.

Как ChatGPT отличается от других моделей?

Отличие заключается именно в использовании только декодирующей части. Это делает его идеальным для задач генерации текста, где входная информация (ваш запрос) используется для порождения новой последовательности слов. В то время как классические Трансформеры (например, BERT) часто используют и кодировщик, и декодировщик для задач, требующих понимания всего входного текста (например, машинный перевод, ответы на вопросы, где нужно извлечь ответ из данного текста), GPT-модели сосредоточены на создании нового текста.

“Декодер”: роль в генерации текста.

В модели ChatGPT, как в декодере Трансформера, каждый шаг генерации зависит от всех предыдущих слов, как входных (из вашего запроса), так и уже сгенерированных самой моделью. Это позволяет строить длинные, связные и логически последовательные тексты.

“Маскирование”: предотвращение “подглядывания” в будущее.

Для того чтобы модель училась предсказывать только на основе предыдущей информации, в декодере используется механизм маскирования (masking). Когда модель обрабатывает слово, она “маскирует” (игнорирует) все последующие слова в последовательности. Это гарантирует, что при обучении модель не “подглядывает” в будущее – она учится делать предсказания, основываясь только на той информации, которая уже была доступна.

Этот принцип маскирования позволяет модели эффективно обучаться задаче предсказания следующего слова, что является основой для генерации текста.

3.2. Механизм Внимания в Деталях: Понимание Связей

Механизм внимания – это сердце архитектуры Трансформера и, соответственно, ChatGPT. Он позволяет модели динамически фокусироваться на наиболее важных частях входной информации при обработке каждого элемента выходной последовательности.

Как AI “выбирает”, на что обратить внимание в тексте.

Вместо того чтобы равномерно учитывать всю предыдущую информацию, механизм внимания присваивает каждому предыдущему слову (или токены) определенный “вес”, который показывает, насколько оно релевантно для текущей задачи. Более высокие веса присваиваются более значимым словам.

Ключи, запросы и значения (Keys, Queries, Values): простая аналогия.

Чтобы понять, как это работает, представим себе систему поиска информации (например, библиотеку).

Запрос (Query): Это то, что вы ищете (например, “информация о котах”).

Ключи (Keys): Это “ярлыки” или “описания” каждой доступной единицы информации (например, названия книг, аннотации).

Значения (Values): Это само содержание информации (текст книги, статья).

Механизм внимания работает следующим образом:

Сравнение запроса с ключами: Система сравнивает ваш “запрос” с “ключами” всех доступных единиц информации. Эта аналогия помогает определить, насколько каждая единица информации релевантна вашему запросу.

Вычисление весов внимания: Результат сравнения преобразуется в “веса внимания” – числовые значения, показывающие степень релевантности. Чем выше вес, тем важнее соответствующая информация.

Взвешенное суммирование значений: Затем эти веса используются для взвешенного суммирования “значений” (содержания) релевантной информации. Результатом является “контекстно-обогащенное” представление, которое фокусируется на наиболее важных элементах.

В контексте текста, “запрос”, “ключи” и “значения” – это векторы (числовые представления), полученные из входных токенов. Модель вычисляет, насколько текущий токен (который выступает в роли “запроса”) “совпадает” с другими токенами (которые выступают в роли “ключей”). Затем она использует эти совпадения (веса внимания) для получения взвешенной суммы векторов “значений” других токенов.

Многоголовое внимание (Multi-Head Attention): параллельное понимание.

В архитектуре Трансформера используется многоголовое внимание (Multi-Head Attention). Это означает, что вместо одного механизма внимания, модель использует несколько “головок” внимания, работающих параллельно. Каждая “головка” может фокусироваться на разных аспектах взаимосвязей между словами.

Представьте, что вы смотрите на картину. Одна “головка” может замечать цвета, другая – формы, третья – расположение объектов. Многоголовое внимание позволяет модели одновременно улавливать различные типы зависимостей в тексте. Результаты работы всех “головок” затем объединяются, давая более полное и глубокое понимание контекста.

3.3. Тренировочные Данные: Что Ест ChatGPT?

Качество и количество данных, на которых обучается модель, критически важны для ее производительности.

Объем и разнообразие данных: веб-страницы, книги, статьи.

OpenAI не раскрывает точный состав своих обучающих датасетов, но известно, что они включают:

Огромные объемы текста из интернета: Это могут быть веб-сайты, форумы, статьи, блоги.

Книги: Большие коллекции оцифрованных книг, охватывающие самые разные жанры и тематики.

Научные статьи и публикации.

Код: Для обучения генерации программного кода.

Общий объем данных исчисляется сотнями миллиардов или даже триллионами слов. Разнообразие – ключ к тому, чтобы модель могла говорить на разные темы, в разных стилях и решать разные задачи.

Фильтрация и подготовка данных: как убирают “мусор”.

Просто взять весь интернет и “скормить” его модели – плохая идея. Данные проходят серьезную фильтрацию и подготовку:

Удаление низкокачественного контента: Тексты с грамматическими ошибками, бессмысленные фразы, спам.

Дедупликация: Удаление повторяющихся фрагментов текста.

Фильтрация по темам: Иногда датасеты могут быть специально составлены для достижения определенных целей (например, акцент на научные тексты или художественную литературу).

Нормализация: Приведение текста к единому формату.

Этическая сторона сбора данных: авторские права, предвзятость.

Сбор таких огромных объемов данных поднимает важные этические вопросы:

Авторские права: Многие тексты защищены авторским правом. Вопрос о том, законно ли использовать их для обучения AI, является предметом активных дебатов и судебных разбирательств.

Предвзятость (Bias): Если в обучающих данных присутствуют предвзятые взгляды (расовые, гендерные, политические и т.д.), модель неизбежно их усвоит и может воспроизводить. Разработчики стараются минимизировать предвзятость путем фильтрации и дообучения, но это сложная задача.

Приватность: В данных могут содержаться персональные данные. Их удаление и анонимизация – важная задача.

3.4. Процесс Обучения: Как Создается “Знание” Модели

Процесс обучения нейронной сети – это сложный математический и вычислительный процесс.

Функция потерь (Loss Function): как измеряется ошибка.

Чтобы понять, насколько хорошо модель работает, нужно измерять ее ошибки. Для этого используется функция потерь (Loss Function). Она принимает на вход предсказание модели и “правильный ответ” (из обучающих данных) и выдает число, характеризующее степень ошибки. Чем меньше значение функции потерь, тем точнее модель.

Для языковых моделей, задача которых – предсказывать следующее слово, типичной функцией потерь является кросс-энтропия (Cross-Entropy). Она измеряет, насколько вероятностное распределение предсказанных моделью слов отличается от “истинного” распределения (где правильное слово имеет вероятность 1, а все остальные – 0).

Оптимизаторы: как модель “подстраивается”.

После того как ошибка (значение функции потерь) рассчитана, нужно обновить веса и смещения модели, чтобы уменьшить эту ошибку. Этим занимаются оптимизаторы (Optimizers). Один из самых распространенных оптимизаторов – градиентный спуск (Gradient Descent) и его вариации (например, Adam).

Градиентный спуск “идет” по поверхности функции потерь в направлении наибольшего убывания (по “анти-градиенту”), постепенно приближаясь к минимуму, где ошибка минимальна.

Вычислительные мощности: сколько нужно “железа”.

Обучение таких больших моделей, как ChatGPT, требует колоссальных вычислительных ресурсов. Это не может быть сделано на обычном домашнем компьютере. Требуются:

Тысячи (или даже десятки тысяч) высокопроизводительных графических процессоров (GPU) или тензорных процессоров (TPU), работающих параллельно.

Большие объемы оперативной памяти и быстрое хранилище данных.

Специализированное программное обеспечение для распределенных вычислений.

Процесс обучения может занимать недели или месяцы, потребляя огромное количество электроэнергии. Именно поэтому разработка таких моделей доступна лишь немногим крупным технологическим компаниям.

Мы заглянули под капот ChatGPT, рассмотрев его архитектуру, ключевой механизм внимания и основы процесса обучения. Теперь мы лучше понимаем, как модель преобразует текст, улавливает контекст и генерирует ответы. Однако, чтобы полностью оценить силу ChatGPT, нужно понять математические основы, которые делают все это возможным. В следующей главе мы погрузимся в мир вероятности, статистики и линейной алгебры, которые составляют “математическую душу” этой технологии.

Продолжаем углубляться в основы! На очереди – математика, которая, хоть и звучит сложно, на самом деле является основой всего. Мы разберем, как вероятность и статистика помогают ChatGPT “говорить” и как простые математические концепции делают возможным такое сложное поведение.

Глава 4: Вероятность и Статистика: Язык, Который Понимает ChatGPT

Может показаться удивительным, но в основе способности ChatGPT генерировать осмысленный текст лежат принципы вероятности и статистики. Он не “думает” в человеческом смысле, но он очень хорошо научился предсказывать, какие слова с наибольшей вероятностью должны следовать друг за другом, учитывая предыдущий контекст. Эта глава посвящена тому, как именно эти математические инструменты позволяют ChatGPT “говорить”.

4.1. Вероятность Следующего Слова: Сердце Генерации Текста

Когда вы задаете вопрос ChatGPT, и он начинает генерировать ответ, он фактически выполняет одну и ту же операцию снова и снова: предсказывает следующее наиболее вероятное слово (или токен).

Как ChatGPT предсказывает, какое слово должно идти дальше?

Представьте, что модель только что сгенерировала слова “Кошка сидит на…”. Теперь ей нужно выбрать следующее слово. Основываясь на огромном объеме текста, на котором она обучалась, модель может рассчитать вероятности для разных слов:

“коврике” – вероятность 80%

“столе” – вероятность 15%

“крыше” – вероятность 3%

“луне” – вероятность 0.01%

…и так далее для всего словаря.

Модель выбирает следующее слово, как правило, на основе этих вероятностей. Есть несколько способов выбора:

Выбор наиболее вероятного слова (Max Probability): Это самый детерминированный подход, который может привести к повторяющимся и предсказуемым ответам.

Сэмплирование (Sampling): Модель выбирает слово случайным образом, но с учетом его вероятности. Более вероятные слова имеют больший шанс быть выбранными. Этот метод делает ответы более разнообразными и креативными.

Понятие вероятностного распределения.

То, что мы описали выше, – это вероятностное распределение над словарем. Это функция, которая присваивает каждому возможному исходу (в нашем случае – каждому слову) некоторую вероятность. Сумма всех вероятностей для всех возможных слов должна быть равна 1 (или 100%). ChatGPT умеет строить такие распределения для предсказания следующего слова, основываясь на предшествующем контексте.

Пример: “Кошка сидит на…” -> “коврике” (вероятность 0.8), “столе” (вероятность 0.15), “окне” (вероятность 0.05).

Если бы модель всегда выбирала самое вероятное слово, ее ответы были бы очень однообразными. Например, после “Кошка сидит на…” она бы всегда выбирала “коврике”. Поэтому используется сэмплирование.

“Температура” (temperature) – это параметр, который контролирует “случайность” или “креативность” генерации. Более высокая температура делает распределение более плоским (увеличивая вероятность выбора менее вероятных слов), делая ответы более неожиданными. Низкая температура делает распределение более “острым” (увеличивая вероятность выбора самых вероятных слов), делая ответы более предсказуемыми и сфокусированными.

4.2. Статистические Закономерности в Языке: Частотность и Контекст

Язык – это не просто случайный набор слов. В нем существуют четкие статистические закономерности, которые ChatGPT научился улавливать.

Как AI учится на частоте слов и их сочетаний.

Самый простой статистический подход – это частотность. Модель знает, что слово “и” встречается гораздо чаще, чем, скажем, “кенгуру”. Она также знает, что определенные слова часто идут вместе. Например, после “высокая” часто следует “температура”, “скорость”, “вероятность”.

“N-граммы”: статистические модели, предсказывающие слово по предыдущим N-1 словам.

Более сложный, но все еще статистический подход – это использование N-грамм. N-грамма – это последовательность из N слов.

Униграммы (1-граммы): Отдельные слова.

Биграммы (2-граммы): Последовательности из двух слов (например, “высокая вероятность”).

Триграммы (3-граммы): Последовательности из трех слов (например, “очень высокая вероятность”).

Модели на основе N-грамм предсказывают следующее слово, основываясь на вероятностях появления этой N-граммы в обучающих данных. Например, для предсказания слова после “высокая вероятность” модель ищет, какие слова чаще всего следуют за этой биграммой в корпусе текстов.

Почему контекст важнее простой частоты.

Однако, статистика N-грамм имеет свои ограничения. Она плохо улавливает дальние зависимости и тонкие нюансы. Например, предложение “Кошка, которую я видел вчера на улице, сидящая на заборе, сейчас спит на моей кровати” – в нем для понимания слова “спит” важен не только “сейчас”, но и “кошка”, которая находится очень далеко.

Трансформеры, благодаря механизму внимания, способны улавливать эти дальние контекстные зависимости, что делает их значительно мощнее простых статистических моделей. Они не просто считают частоту слов, но и понимают, как слова связаны между собой, даже если находятся далеко друг от друга.

4.3. Векторные Представления Слов (Word Embeddings): Слова в Мире Чисел

Чтобы математические модели могли работать с текстом, слова нужно преобразовать в числовой формат. Векторные представления слов (Word Embeddings) – это способ представить слова в виде числовых векторов в многомерном пространстве.

Как слова превращаются в векторы?

Слова, которые имеют схожее значение или используются в схожем контексте, располагаются близко друг к другу в этом векторном пространстве.

“Word2Vec”, “GloVe”: простая аналогия с “цветом” или “запахом” слова.

Алгоритмы, такие как Word2Vec и GloVe, обучаются на больших корпусах текстов и создают такие векторные представления. Можно представить, что каждый вектор – это своего рода “код” слова, который несет в себе информацию о его семантике и синтаксисе.

Семантические связи: “король” – “мужчина” + “женщина” ≈ “королева”.

Самое удивительное в word embeddings – это их способность отражать семантические отношения. Например, если взять вектор слова “король”, вычесть из него вектор слова “мужчина” и прибавить вектор слова “женщина”, то полученный вектор окажется очень близким к вектору слова “королева”. Это демонстрирует, как векторное представление улавливает такие аналогии, как “мужское:женское” или “столица:страна”.

В моделях, подобных ChatGPT, эти векторные представления (или их более сложные аналоги, такие как токен-эмбеддинги) являются входными данными для нейронной сети. Они уже несут в себе некую “начальную информацию” о словах, что облегчает дальнейшее обучение и понимание.

4.4. Оценка Модели: Насколько Хорошо ChatGPT “Говорит”?

Perplexity: Как Измерить "Растерянность" Языковой Модели

Представьте, что вы учите ребёнка читать. Вы диктуете: «Мама мыла…» и ждёте, что он закончит фразу словом «раму». Если ребёнок без колебаний говорит «раму» – он хорошо выучил язык. Если же он начинает перебирать: «окно?.. дом?.. кошку?..» – он неуверен, «растерян».

Perplexity (перплексия) – это точная математическая мера такой «растерянности» для языковой модели. Чем ниже значение Perplexity, тем увереннее модель предсказывает следующее слово, а значит, тем лучше она «знает» язык.

Разберём на пальцах, как это работает

Допустим, наша модель оценивает фразу «Это очень интересная книга».

Шаг 1: Оцениваем вероятность каждого слова

Модель идёт по цепочке и для каждого слова вычисляет вероятность, основанную на предыдущих.

P(“Это”) = 0.95 – (Очень вероятно, что предложение начинается с “Это”)

P(“очень”∣“Это”) = 0.80 – (После “Это” часто идет “очень”)

P(“интересная”∣“Это очень”) = 0.70 – (Вероятное продолжение)

P(“книга”∣“Это очень интересная”) = 0.90 – (Идеальное завершение фразы)

Шаг 2: Перемножаем вероятности (Находим общую уверенность)

Чтобы понять, насколько модель уверена во всём предложении целиком, мы перемножаем все эти вероятности.

\[ P(\text{всё предложение}) = 0.95 \times 0.80 \times 0.70 \times 0.90 \approx 0.4788 \]

Получилось довольно большое число (близкое к 0.5). Это хороший знак!

А теперь представим плохую модель. Её вероятности будут очень низкими:

\[ P(\text{всё предложение}) = 0.1 \times 0.05 \times 0.02 \times 0.01 = 0.000001 \]

Получилось мизерное число. Но работать с такими числами неудобно. Нужен способ это исправить.

Шаг 3: Применяем математический трюк (Логарифмы)

Математики ненавидят перемножать кучу маленьких чисел. Они используют логарифм, который превращает умножение в сложение, а маленькие числа – в удобные для расчётов отрицательные.