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) |