File size: 15,162 Bytes
2aee49a
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import math


# ============================================================
# RoPE: Rotary Position Embedding (tự code từ đầu)
# Dùng trong LLaMA, Mistral, Gemma - thay thế Position Embedding tuyệt đối
# Nguyên lý: Xoay các vector Query/Key trong không gian phức theo vị trí
# ============================================================

class RotaryEmbedding(nn.Module):
    def __init__(self, dim, max_len=512, base=10000):
        super().__init__()
        # Tính tần số xoay: theta_i = 1 / (base ^ (2i / dim))
        inv_freq = 1.0 / (base ** (torch.arange(0, dim, 2).float() / dim))
        self.register_buffer('inv_freq', inv_freq)
        self.max_len = max_len
        # Cache cos/sin để tránh tính lại mỗi lần
        self._build_cache(max_len)

    def _build_cache(self, seq_len):
        t = torch.arange(seq_len, device=self.inv_freq.device).float()
        freqs = torch.einsum('i,j->ij', t, self.inv_freq)  # (seq_len, dim/2)
        emb = torch.cat([freqs, freqs], dim=-1)             # (seq_len, dim)
        self.register_buffer('cos_cached', emb.cos().unsqueeze(0).unsqueeze(0))  # (1,1,seq,dim)
        self.register_buffer('sin_cached', emb.sin().unsqueeze(0).unsqueeze(0))  # (1,1,seq,dim)

    def _rotate_half(self, x):
        """Xoay nửa sau của vector lên nửa trước (phép xoay phức)."""
        half = x.shape[-1] // 2
        x1, x2 = x[..., :half], x[..., half:]
        return torch.cat([-x2, x1], dim=-1)

    def forward(self, q, k):
        """
        Áp dụng RoPE lên Query và Key.
        q, k: (batch, n_head, seq_len, head_dim)
        """
        seq_len = q.shape[2]
        if seq_len > self.max_len:
            self._build_cache(seq_len)

        cos = self.cos_cached[:, :, :seq_len, :q.shape[-1]]
        sin = self.sin_cached[:, :, :seq_len, :q.shape[-1]]

        q_rot = (q * cos) + (self._rotate_half(q) * sin)
        k_rot = (k * cos) + (self._rotate_half(k) * sin)
        return q_rot, k_rot


# ============================================================
# SwiGLU: Swish Gated Linear Unit (tự code từ đầu)
# Dùng trong LLaMA, PaLM - thay thế khối MLP + GELU truyền thống
# Nguyên lý: SwiGLU(x) = (xW) ⊗ swish(xV) => học phi tuyến tính tốt hơn GELU
# ============================================================

class SwiGLU(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, dropout=0.1):
        super().__init__()
        # Dùng tỉ lệ 8/3 thay vì 4 để bù đắp cho cơ chế gate
        hidden_dim = int(d_model * 8 / 3)
        # Làm tròn thành bội số của 64 để tối ưu phần cứng GPU
        hidden_dim = (hidden_dim + 63) // 64 * 64

        self.w1 = nn.Linear(d_model, hidden_dim, bias=False)  # Gate branch
        self.w2 = nn.Linear(hidden_dim, d_model, bias=False)  # Output projection
        self.w3 = nn.Linear(d_model, hidden_dim, bias=False)  # Value branch
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x):
        # SwiGLU(x) = w2(swish(w1(x)) ⊗ w3(x))
        gate   = F.silu(self.w1(x))   # swish(xW1)
        value  = self.w3(x)           # xW3
        return self.dropout(self.w2(gate * value))


# ============================================================
# CausalSelfAttention: Tích hợp RoPE
# ============================================================

class CausalSelfAttention(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, n_head, dropout, rope):
        super().__init__()
        assert d_model % n_head == 0
        self.c_attn        = nn.Linear(d_model, 3 * d_model, bias=False)
        self.c_proj        = nn.Linear(d_model, d_model, bias=False)
        self.attn_dropout  = nn.Dropout(dropout)
        self.resid_dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.n_head  = n_head
        self.d_model = d_model
        self.rope    = rope  # RotaryEmbedding được chia sẻ giữa các lớp

    def forward(self, x, return_attention=False):
        B, T, C = x.size()
        head_dim = C // self.n_head

        q, k, v = self.c_attn(x).split(self.d_model, dim=2)
        q = q.view(B, T, self.n_head, head_dim).transpose(1, 2)  # (B, nh, T, hd)
        k = k.view(B, T, self.n_head, head_dim).transpose(1, 2)
        v = v.view(B, T, self.n_head, head_dim).transpose(1, 2)

        # Áp dụng RoPE lên Q và K
        q, k = self.rope(q, k)

        att  = (q @ k.transpose(-2, -1)) * (1.0 / math.sqrt(head_dim))
        mask = torch.tril(torch.ones(T, T, device=x.device)).view(1, 1, T, T)
        att  = att.masked_fill(mask == 0, float('-inf'))
        att  = F.softmax(att, dim=-1)

        attn_weights = att.clone() if return_attention else None
        att  = self.attn_dropout(att)
        y    = att @ v
        y    = y.transpose(1, 2).contiguous().view(B, T, C)
        y    = self.resid_dropout(self.c_proj(y))

        if return_attention:
            return y, attn_weights
        return y


# ============================================================
# Block: Khối Transformer tích hợp SwiGLU + RoPE
# ============================================================

class Block(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, n_head, dropout, rope):
        super().__init__()
        self.ln_1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.attn = CausalSelfAttention(d_model, n_head, dropout, rope)
        self.ln_2 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.mlp  = SwiGLU(d_model, dropout)  # SwiGLU thay thế MLP + GELU

    def forward(self, x, return_attention=False):
        if return_attention:
            attn_out, attn_weights = self.attn(self.ln_1(x), return_attention=True)
            x = x + attn_out
            x = x + self.mlp(self.ln_2(x))
            return x, attn_weights
        else:
            x = x + self.attn(self.ln_1(x))
            x = x + self.mlp(self.ln_2(x))
            return x


# ============================================================
# Model: Kiến trúc Transformer Decoder thuần
# RoPE thay thế wpe (Absolute Position Embedding)
# SwiGLU thay thế MLP + GELU
# Weight Tying: wte.weight = lm_head.weight
# ============================================================

class Model(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, n_layer=4, d_model=256, n_head=8, dropout=0.1, max_len=512):
        super().__init__()
        # RoPE: Chia sẻ 1 đối tượng RoPE dùng chung cho tất cả các lớp
        rope = RotaryEmbedding(dim=d_model // n_head, max_len=max_len)

        self.transformer = nn.ModuleDict(dict(
            wte  = nn.Embedding(vocab_size, d_model),   # Token Embedding
            drop = nn.Dropout(dropout),
            h    = nn.ModuleList([Block(d_model, n_head, dropout, rope) for _ in range(n_layer)]),
            ln_f = nn.LayerNorm(d_model),
        ))
        # Không còn wpe vì RoPE đã xử lý vị trí tương đối
        self.rope    = rope
        self.lm_head = nn.Linear(d_model, vocab_size, bias=False)
        self.max_len = max_len
        self.d_model = d_model

        # Weight Tying: Chia sẻ trọng số Embedding đầu vào và đầu ra
        self.transformer.wte.weight = self.lm_head.weight

        # Khởi tạo trọng số theo chuẩn GPT-2
        self.apply(self._init_weights)

    def _init_weights(self, module):
        if isinstance(module, nn.Linear):
            torch.nn.init.normal_(module.weight, mean=0.0, std=0.02)
            if module.bias is not None:
                torch.nn.init.zeros_(module.bias)
        elif isinstance(module, nn.Embedding):
            torch.nn.init.normal_(module.weight, mean=0.0, std=0.02)

    def forward(self, idx, targets=None):
        device = idx.device
        b, t   = idx.size()
        assert t <= self.max_len, f"Chuỗi dài {t} vượt quá max_len={self.max_len}"

        # Chỉ còn Token Embedding, RoPE xử lý vị trí bên trong Attention
        x = self.transformer.drop(self.transformer.wte(idx))
        for block in self.transformer.h:
            x = block(x)
        x      = self.transformer.ln_f(x)
        logits = self.lm_head(x)

        loss = None
        if targets is not None:
            loss = F.cross_entropy(
                logits.view(-1, logits.size(-1)),
                targets.view(-1),
                ignore_index=-1,
                label_smoothing=0.1
            )
        return logits, loss

    # ============================================================
    # HÀM: Trích xuất Vector Ngữ Nghĩa (Sentence Embedding)
    # Dùng cho bài toán So khớp Độ tương đồng câu hỏi (NLP)
    # ============================================================
    @torch.no_grad()
    def get_embedding(self, idx):
        """
        Trích xuất vector ngữ nghĩa (embedding) từ lớp Hidden States cuối cùng.
        Sử dụng Mean Pooling trên toàn bộ chuỗi token.

        Args:
            idx: tensor (batch, seq_len) chứa token IDs
        Returns:
            embedding: tensor (batch, d_model) - Vector ngữ nghĩa của câu
        """
        device = idx.device
        x = self.transformer.drop(self.transformer.wte(idx))
        for block in self.transformer.h:
            x = block(x)
        x = self.transformer.ln_f(x)  # (batch, seq_len, d_model)

        # Mean Pooling: lấy trung bình cộng tất cả các token (bỏ qua padding)
        mask = (idx != 0).unsqueeze(-1).float()  # (batch, seq_len, 1)
        x_masked = x * mask
        embedding = x_masked.sum(dim=1) / mask.sum(dim=1).clamp(min=1)  # (batch, d_model)

        return embedding

    # ============================================================
    # HÀM: Trích xuất Ma trận Attention (để vẽ Heatmap)
    # ============================================================
    @torch.no_grad()
    def get_attention_maps(self, idx):
        """
        Trích xuất attention weights từ tất cả các lớp.

        Args:
            idx: tensor (1, seq_len) chứa token IDs
        Returns:
            all_attn: list of tensors, mỗi tensor shape (1, n_head, seq_len, seq_len)
        """
        x = self.transformer.drop(self.transformer.wte(idx))
        all_attn = []
        for block in self.transformer.h:
            x, attn_weights = block(x, return_attention=True)
            all_attn.append(attn_weights)
        return all_attn

    # ============================================================
    # HÀM: Generate với Top-P (Nucleus Sampling) + Repetition Penalty
    # ============================================================
    @torch.no_grad()
    def generate(self, idx, max_new_tokens, temperature=1.0, top_k=None,
                 top_p=None, repetition_penalty=1.3):
        """
        Sinh text mới với hỗ trợ cả Top-K và Top-P (Nucleus Sampling).

        Args:
            idx: tensor (1, seq_len) chứa prompt token IDs
            max_new_tokens: số token tối đa cần sinh
            temperature: độ "sáng tạo" (cao = sáng tạo, thấp = chắc chắn)
            top_k: chỉ lấy K từ xác suất cao nhất
            top_p: chỉ lấy các từ có tổng xác suất cộng dồn <= p
            repetition_penalty: phạt các từ đã xuất hiện (tránh lặp)
        """
        for _ in range(max_new_tokens):
            idx_cond = idx if idx.size(1) <= self.max_len else idx[:, -self.max_len:]
            logits, _ = self(idx_cond)
            logits = logits[:, -1, :] / temperature

            # Repetition Penalty: phạt các token đã xuất hiện
            for row in range(idx.size(0)):
                for token_id in set(idx[row].tolist()):
                    if logits[row, token_id] > 0:
                        logits[row, token_id] /= repetition_penalty
                    else:
                        logits[row, token_id] *= repetition_penalty

            # Top-K Filtering
            if top_k is not None:
                v, _ = torch.topk(logits, min(top_k, logits.size(-1)))
                logits[logits < v[:, [-1]]] = -float('Inf')

            # Top-P (Nucleus) Filtering
            if top_p is not None:
                sorted_logits, sorted_indices = torch.sort(logits, descending=True)
                cumulative_probs = torch.cumsum(F.softmax(sorted_logits, dim=-1), dim=-1)

                sorted_indices_to_remove = cumulative_probs > top_p
                sorted_indices_to_remove[..., 1:] = sorted_indices_to_remove[..., :-1].clone()
                sorted_indices_to_remove[..., 0] = 0

                indices_to_remove = sorted_indices_to_remove.scatter(
                    1, sorted_indices, sorted_indices_to_remove
                )
                logits[indices_to_remove] = -float('Inf')

            probs    = F.softmax(logits, dim=-1)
            idx_next = torch.multinomial(probs, num_samples=1)
            idx      = torch.cat((idx, idx_next), dim=1)
            if idx_next.item() == 2:  # <eos> token
                break
        return idx

    # ============================================================
    # HÀM: Generate Stream (Streaming Token)
    # ============================================================
    @torch.no_grad()
    def generate_stream(self, idx, max_new_tokens, temperature=1.0, top_k=None,
                        top_p=None, repetition_penalty=1.3):
        for _ in range(max_new_tokens):
            idx_cond = idx if idx.size(1) <= self.max_len else idx[:, -self.max_len:]
            logits, _ = self(idx_cond)
            logits = logits[:, -1, :] / temperature

            for row in range(idx.size(0)):
                for token_id in set(idx[row].tolist()):
                    if logits[row, token_id] > 0:
                        logits[row, token_id] /= repetition_penalty
                    else:
                        logits[row, token_id] *= repetition_penalty

            if top_k is not None:
                v, _ = torch.topk(logits, min(top_k, logits.size(-1)))
                logits[logits < v[:, [-1]]] = -float('Inf')

            if top_p is not None:
                sorted_logits, sorted_indices = torch.sort(logits, descending=True)
                cumulative_probs = torch.cumsum(F.softmax(sorted_logits, dim=-1), dim=-1)
                sorted_indices_to_remove = cumulative_probs > top_p
                sorted_indices_to_remove[..., 1:] = sorted_indices_to_remove[..., :-1].clone()
                sorted_indices_to_remove[..., 0] = 0
                indices_to_remove = sorted_indices_to_remove.scatter(
                    1, sorted_indices, sorted_indices_to_remove
                )
                logits[indices_to_remove] = -float('Inf')

            probs    = F.softmax(logits, dim=-1)
            idx_next = torch.multinomial(probs, num_samples=1)
            idx      = torch.cat((idx, idx_next), dim=1)
            yield idx_next.item()
            if idx_next.item() == 2:  # <eos> token
                break


def make_model(vocab_size, n_layer=4, d_model=256, n_head=8, dropout=0.1):
    return Model(vocab_size, n_layer, d_model, n_head, dropout)