大模型（5）——编码器（Encoder）、解码器（Decoder）

在大模型（如Transformer架构的LLM、多模态模型）中，**编码器（Encoder）和解码器（Decoder）**是核心组件，负责将输入数据转化为高层表示并生成目标输出。它们的结构、功能差异及协作方式直接影响模型性能。

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一、编码器（Encoder）

1. 核心作用

• 输入表示学习：将原始输入（文本、图像等）转化为高维向量（Embeddings），捕捉语义和上下文信息。
• 特征提取：通过多层神经网络（如Transformer层）逐步抽象出数据的深层特征。

2. 典型结构（以Transformer为例）

# 伪代码示例：Transformer编码器层
class EncoderLayer:def __init__(self):self.self_attention = MultiHeadAttention()  # 自注意力机制self.feed_forward = FeedForwardNetwork()   # 前馈网络self.norm1, self.norm2 = LayerNorm(), LayerNorm()  # 层归一化def forward(self, x):# 自注意力 + 残差连接attn_output = self.self_attention(x, x, x)  # Query=Key=Valuex = x + self.norm1(attn_output)# 前馈网络 + 残差连接ff_output = self.feed_forward(x)x = x + self.norm2(ff_output)return x

• 关键模块：
  • 自注意力机制（Self-Attention）：计算输入序列中所有位置的关联权重，捕获长距离依赖。
  • 位置编码（Positional Encoding）：为序列添加位置信息，解决Transformer的置换不变性问题。
  • 层归一化（LayerNorm）和残差连接（Residual Connection）：稳定训练过程。

3. 应用场景

• 纯编码器模型（如BERT、RoBERTa）：
  • 适用于理解型任务（文本分类、实体识别）。
  • 通过掩码语言建模（MLM）预训练，学习双向上下文表示。
• 多模态编码器（如CLIP的视觉编码器）：
  • 将图像/文本映射到共享向量空间，支持跨模态检索。

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二、解码器（Decoder）

1. 核心作用

• 序列生成：基于编码器输出或历史生成内容，逐步预测下一个token（如文本生成、图像合成）。
• 自回归推理：每一步依赖前一步的输出（如GPT的"逐词生成"模式）。

2. 典型结构（以Transformer为例）

# 伪代码示例：Transformer解码器层
class DecoderLayer:def __init__(self):self.self_attention = MultiHeadAttention()    # 自注意力（掩码）self.cross_attention = MultiHeadAttention()  # 交叉注意力（编码器-解码器）self.feed_forward = FeedForwardNetwork()self.norm1, self.norm2, self.norm3 = LayerNorm(), LayerNorm(), LayerNorm()def forward(self, x, encoder_output):# 掩码自注意力（防止未来信息泄露）attn_output = self.self_attention(x, x, x, mask=attention_mask)x = x + self.norm1(attn_output)# 编码器-解码器注意力cross_output = self.cross_attention(x, encoder_output, encoder_output)x = x + self.norm2(cross_output)# 前馈网络x = x + self.norm3(self.feed_forward(x))return x

• 关键模块：
  • 掩码自注意力（Masked Self-Attention）：防止解码时看到未来信息（确保自回归性）。
  • 交叉注意力（Cross-Attention）：解码器查询编码器输出（用于Seq2Seq任务）。
  • 位置编码：与编码器类似，但需处理生成序列的动态扩展。

3. 应用场景

• 纯解码器模型（如GPT系列）：
  • 通过自回归生成完成文本续写、代码生成等任务。
  • 预训练目标：预测下一个token（因果语言建模）。
• 编码器-解码器模型（如T5、BART）：
  • 适用于序列到序列任务（翻译、摘要）。
  • 编码器处理输入，解码器生成输出。

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三、编码器与解码器的协作模式

1. 独立架构

• 编码器-only（如BERT）：仅用于特征提取，需接任务特定头（分类器）。
• 解码器-only（如GPT）：直接生成内容，无显式编码器输入。

2. 联合架构（Seq2Seq）

• 工作流程：
  1. 编码器将输入序列（如英文句子）编码为上下文向量。
  2. 解码器基于该向量逐步生成目标序列（如中文翻译）。
• 经典模型：T5、BART、mBART。

3. 多模态协作

• 示例：图像描述生成（如BLIP模型）：
  • 视觉编码器（ViT）提取图像特征。
  • 文本解码器生成描述文本。

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四、关键技术对比

特性	编码器	解码器
注意力机制	自注意力（双向）	掩码自注意力 + 交叉注意力
训练目标	重构输入（MLM等）	预测下一个token（自回归）
输入/输出	固定长度输入	可变长度输出生成
典型预训练任务	BERT的掩码语言模型	GPT的因果语言模型
应用场景	理解、特征提取	生成、推理

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五、前沿演进方向

1. 统一架构：
   • Prefix Decoding（如UniLM）：通过控制注意力掩码，使单一模型同时支持编码和解码。
2. 高效解码：
   • Speculative Decoding：并行预测多个token加速生成。
3. 多模态融合：
   • Flamingo等模型：交替使用图像/文本编码器与解码器，处理跨模态生成。

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六、总结

• 编码器是“理解者”，擅长从数据中提取抽象特征；
• 解码器是“生成者”，擅长基于上下文创造新内容；
• 两者协作可处理复杂任务（如翻译、对话），而独立设计则针对特定场景优化（如GPT纯生成、BERT纯理解）。
  现代大模型（如LLaMA、PaLM）常采用解码器-only架构，因其生成能力更适配通用任务，而编码器-解码器架构在需精确对齐输入输出的场景（如翻译）中仍不可替代。