【大模型学习】现代大模型架构（二）：旋转位置编码和SwiGLU

原创

九年义务漏网鲨鱼

发布于 2025-11-20 10:36:17

4920

文章被收录于专栏：面经面经

RoPE / SwiGLU

前言

✍ 上一篇我们把现代大模型的两件“基础设施”——GQA 注意力 和 RMSNorm + Pre-Norm 细讲了一遍，从多头注意力的演化一路讲到归一化的升级。这一篇，我们就顺势把剩下的两件标配武器补上：

RoPE（Rotary Positional Embedding）：解决“长上下文 + 相对位置建模”的问题；
SwiGLU 前馈网络：解决“FFN 表达力与训练稳定性”的问题。

一、位置编码

1.1 绝对位置编码——三角函数编码

在最早的 Transformer 里，模型本身对“顺序”是没有感觉的，它只看到一串向量： x_1, x_2, \dots, x_L \in \mathbb{R}^{d_{\text{model}}} 。他并不像RNN、LSTM一样具备循环机制，因此对于位置信息是不敏感。为了让模型知道“谁在前谁在后”，Transformer 直接给每个位置加了一个位置向量 PE_{pos}

\tilde{x}_{pos} = x_{pos} + PE_{pos}

Transformer 原始论文里的做法采用了三角函数位置编码:

PE_{(pos, 2i)} = \sin\left(\frac{pos}{10000^{2i/d_{\text{model}}}}\right),\quad PE_{(pos, 2i+1)} = \cos\left(\frac{pos}{10000^{2i/d_{\text{model}}}}\right))

三角函数编码是绝对位置编码其中一种经典实现方式，用固定的 sin/cos 函数给每个绝对位置生成向量，方便模型外推到更长序列。

直观理解： “我是谁”（token embedding） + “我在哪里”（position embedding） = 实际输入给 Transformer 的向量。

绝对 PE 的好处是实现很简单，但也有两点局限：

它更偏向“绝对位置”：第 10 个 token 和第 20 个 token 的位置向量完全不同；
对于超长上下文，learned pos embedding 很难直接外推，sin-cos 虽然能算，但模型未必学会用。

🧠 读到这里，读者可能会有点疑惑，为什么在前面说了 ① 三角函数编码方便模型外推到更长序列，但是后面又说了② 对于超长上下文，learned pos embedding 很难直接外推，sin-cos 虽然能算，但模型未必学会用。

① 对 learned pos embedding 来说，当我们只训练了 max_len = 2048，那 embedding table 里就只有 0～2047 这些 index；想用到 4096-long 序列时，根本没有 PE[3000] 这一行可用，得重新插值/扩表。但是，当我们采用了三角函数的位置编码时，想算 pos=4096、pos=10000 都随时能算，从“函数定义”角度确实更“可外推”。
② 明确表示了sin-cos 虽然能算，但模型未必学会用，对远超训练长度的位置（比如 8192）对应的正弦相位组合，模型可能根本没“学会如何解读”；

因此这里根本不会自相矛盾，用一句土话讲就是“可以但没用的外推”。

代码实现

import math
import torch
import torch.nn as nn

class PositionalEncoding(nn.Module):
    """
    正弦 / 余弦绝对位置编码，接口风格跟 PyTorch Transformer 一致：
    输入输出形状都是 [seq_len, batch_size, d_model]
    """
    def __init__(self, d_model: int, dropout: float = 0.1, max_len: int = 5000):
        super().__init__()
        self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)

        position = torch.arange(0, max_len, dtype=torch.float32).unsqueeze(1)  # [max_len, 1]
        div_term = torch.exp(
            torch.arange(0, d_model, 2, dtype=torch.float32) *
            (-math.log(10000.0) / d_model)
        ) 

        pe = torch.zeros(max_len, d_model, dtype=torch.float32)
        pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)  # 偶数维
        pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)  # 奇数维

        pe = pe.unsqueeze(1)  # [max_len, 1, d_model]

        self.register_buffer("pe", pe)

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        seq_len = x.size(0)
        x = x + self.pe[:seq_len] 
        return self.dropout(x)

1.2 相对位置编码——旋转编码

🧠 RoPE（Rotary Positional Embedding）的核心思想可以一句话概括：

不再给某个embedding 加位置向量，而是 直接在 Q/K 空间里做“按维度成对的旋转”，不同位置对应不同旋转角度。

先看一个二维的小例子。假设我们有一个 2D 向量$(x_1, x_2)$，在平面上旋转一个角度 $\theta$：

\begin{pmatrix} x'_1 \\ x'_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \end{pmatrix}

RoPE 就是把 Q/K 的每两个维度看作一个二维坐标系上的点，然后：

对于位置 pos ，计算一个角度 \theta_{pos} ；
对每对维度做这个旋转。

如果 Q 的原始向量为Q_{pos} ，RoPE 输出的就是“带位置信息”的 Q'_{pos} ，同理对 K 也做同样的旋转。

直观理解： 不同位置的 token 被“旋转”到了不同方向上，注意力点积在比较两个向量时，自然就带上了相对位置差。

🧠 读者可能都知道旋转编码就是在Q K上进行旋转，但具体是怎么让模型知道了他们的相对位置信息呢？

假设 query 在位置 m ，key 在位置 n ，RoPE 分别对它们做旋转：

Q'_m = R_{\theta_m} Q_m,\quad K'_n = R_{\theta_n} K_n ，其中 $R_{\theta}$ 是旋转矩阵。

则注意力里用到的点积是：

Q'_m \cdot K'_n = (R_{\theta_m} Q_m)^\top (R_{\theta_n} K_n) = Q_m^\top R_{\theta_m}^\top R_{\theta_n} K_n

因为旋转矩阵可加角度：

R_{\theta_m}^\top R_{\theta_n} = R_{\theta_n - \theta_m}

所以：

Q'_m \cdot K'_n = Q_m^\top R_{\theta_n - \theta_m} K_n

也就是说： 注意力结果只和角度差 \theta_n - \theta_m 相关，也就是“相对位置”！

这就是 RoPE 在长上下文场景下比“纯绝对位置编码”更有优势的根本原因：模型更容易学到“离多远比较重要”，而不是死记“第 1234 个位置是什么样子”。

代码实现

import torch

def rotate_half(x):
    # x: [..., 2 * d_half]
    x1, x2 = x.chunk(2, dim=-1)          # 拆成两半
    return torch.cat([-x2, x1], dim=-1)  # (x1, x2) -> (-x2, x1)

def apply_rope(x, cos, sin):
    """
    x:   [B, L, H, D]  # Q 或 K
    cos: [L, 1, 1, D]
    sin: [L, 1, 1, D]
    """
    # 广播到同一形状
    while cos.dim() < x.dim():
        cos = cos.unsqueeze(1)
        sin = sin.unsqueeze(1)
    return x * cos + rotate_half(x) * sin

ROPE使用

Q = self.w_q(x)  # [B, L, H*D]
K = self.w_k(x)

Q = Q.view(B, L, H, D)
K = K.view(B, L, H, D)

Q = apply_rope(Q, cos, sin)  # 注入位置信息
K = apply_rope(K, cos, sin)

🧠1. 介绍一下三角函数编码以及旋转编码，为什么现在常用旋转编码？（真实面经）

RoPE 用旋转把位置编码进 Q/K，使注意力只依赖“相对位置差”；
编码函数本身是显式可计算的，任意位置都能算；
相对位置 + 平滑旋转，让模型在没见过的更长上下文上，比传统绝对 PE 更容易“外推”。（重点！）

二、激活函数

2.1 FFN 层

对于每个位置的隐藏向量 $x \in \mathbb{R}^{d_{\text{model}}}$，Transformer中的FFN 本质就是一个逐位置的两层 MLP：

\text{FFN}(x) = W_2 \cdot \sigma(W_1 x + b_1) + b_2

其中：

W_1 \in \mathbb{R}^{d_{\text{ff}} \times d_{\text{model}}} ；
W_2 \in \mathbb{R}^{d_{\text{model}} \times d_{\text{ff}}} ；
\sigma 是 ReLU 或 GELU 等非线性；
通常 {\text{ff}} = 4 \cdot d_{\text{model}}

自注意力解决“和谁交互”的问题，FFN 则在每个 token 自己的通道维度上，做一遍非线性变换，提升表达力。

2.2 GLU Serious

SwiGLU 属于 GLU（Gated Linear Unit）家族。GLU 的典型形式是： \text{GLU}(x) = (W^v x) \odot \sigma(W^g x)

也就是用两条线性变换：

一条生成 value（信息本体）；
一条生成 gate（门控因子）；

然后用 gate 去控制 value 的通过程度。

类比一下：
传统 FFN：所有维度统一通过一个激活函数； GLU/SwiGLU：每一维都有自己的“门”，可以决定这条通道要不要激活、激活多少

在 LLaMA 等模型中，用的是 SwiGLU 变体，大致可以写成：

\text{SwiGLU}(x) = \big(W^v x\big) \odot \text{SiLU}(W^g x)

其中 SiLU 激活为：

\text{SiLU}(z) = z \cdot \sigma(z)

代码手撕实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class SwiGLUFFN(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, d_ff=4096, dropout=0.1):
        super().__init__()
        # 一次性投影到 2 * d_ff，然后一分为二：gate + value
        self.w1 = nn.Linear(d_model, 2 * d_ff)
        self.w2 = nn.Linear(d_ff, d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x):
        """
        x: [B, L, d_model]
        """
        x_proj = self.w1(x)                # [B, L, 2*d_ff]
        gate, value = x_proj.chunk(2, dim=-1)  # 各 [B, L, d_ff]

        # SwiGLU：SiLU(gate) * value
        x = F.silu(gate) * value

        x = self.w2(self.dropout(x))
        return x

🧠 2. 为什么大模型更喜欢用 SwiGLU？

标准 FFN 只是一条 MLP 路径，所有通道共享同一个激活函数。而 SwiGLU 用两个投影产生 gate 和 value，再用 SiLU(gate) 做门控，让不同通道的信息流可以被独立控制，在同样的参数规模下提升表达能力。实验上，在 LLaMA / PaLM 等模型中，SwiGLU 相比简单的 GELU/ReLU 有更好的收敛和下游表现。

三、Decoder Block 代码实现

本章将四件套组合起来，编写一个Decoder代码：

import math
import torch
import torch.nn as nn

class RotaryEmbedding(nn.Module):
    """
    RoPE 位置编码模块：
    - 只负责根据 head_dim + seq_len 生成 cos/sin
    - 不直接改 Q/K，在外面用 apply_rotary_pos_emb 处理
    """
    def __init__(self, head_dim: int, max_position_embeddings: int = 4096, base: float = 10000.0):
        super().__init__()
        assert head_dim % 2 == 0, "head_dim 必须是偶数，才能两两配对旋转"
        self.head_dim = head_dim
        self.max_position_embeddings = max_position_embeddings

        # inv_freq: [head_dim/2]
        # 对应论文里的 1 / base^{2i/d}
        inv_freq = 1.0 / (base ** (torch.arange(0, head_dim, 2, dtype=torch.float32) / head_dim))
        self.register_buffer("inv_freq", inv_freq)  # 不参与训练

        # 预先算好最大长度的 cos/sin，后面按 seq_len 切片
        self._build_cache(max_position_embeddings)

    def _build_cache(self, max_seq_len: int):
        # t: [max_seq_len]
        t = torch.arange(max_seq_len, dtype=torch.float32, device=self.inv_freq.device)
        # freqs: [max_seq_len, head_dim/2]
        freqs = torch.einsum("i,j->ij", t, self.inv_freq)
        # 扩成 [max_seq_len, head_dim]
        emb = torch.cat((freqs, freqs), dim=-1)
        self.register_buffer("cos_cached", emb.cos()[None, None, :, :])  # [1,1,L,D]
        self.register_buffer("sin_cached", emb.sin()[None, None, :, :])  # [1,1,L,D]

    def forward(self, seq_len: int, device=None):
        """
        返回:
        cos, sin: [1, 1, seq_len, head_dim]
        """
        if seq_len > self.max_position_embeddings:
            # 超过预设长度就重建缓存（简单写法，够用）
            self.max_position_embeddings = seq_len
            self._build_cache(seq_len)

        cos = self.cos_cached[:, :, :seq_len, :]  # [1,1,L,D]
        sin = self.sin_cached[:, :, :seq_len, :]  # [1,1,L,D]
        if device is not None:
            cos = cos.to(device)
            sin = sin.to(device)
        return cos, sin
def rotate_half(x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """
    将最后一维两两配对做 (x1, x2) -> (-x2, x1)
    x: [..., D] 且 D 为偶数
    """
    x1, x2 = x.chunk(2, dim=-1)
    return torch.cat([-x2, x1], dim=-1)


def apply_rotary_pos_emb(x: torch.Tensor,
                         cos: torch.Tensor,
                         sin: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """
    RoPE 旋转操作：
    x:   [B, H, L, D]
    cos: [1, 1, L, D]
    sin: [1, 1, L, D]
    """
    # 广播到 [B,H,L,D]
    return x * cos + rotate_half(x) * sin
class RoPEMultiHeadAttention(nn.Module):
    """
    带 RoPE 的多头注意力：
    - 输入 / 输出: [B, L, d_model]
    - 内部: 拆成 [B, H, L, Dh]，对 Q/K 应用 RoPE
    """
    def __init__(self, d_model, num_heads, dropout=0.0,
                 max_position_embeddings: int = 4096):
        super().__init__()
        assert d_model % num_heads == 0
        self.d_model = d_model
        self.num_heads = num_heads
        self.head_dim = d_model // num_heads

        self.w_q = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.w_k = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.w_v = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.w_o = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

        # RoPE 模块，专门生成 cos/sin
        self.rotary_emb = RotaryEmbedding(
            head_dim=self.head_dim,
            max_position_embeddings=max_position_embeddings
        )

    def forward(self, x, attn_mask=None):
        """
        x: [B, L, d_model]
        attn_mask: [B, 1, L, L] 或 [B, L, L]，为 0 的位置会被 mask 掉
        """
        B, L, _ = x.size()
        device = x.device

        # 1. 线性投影
        Q = self.w_q(x)  # [B, L, d_model]
        K = self.w_k(x)
        V = self.w_v(x)

        # 2. 拆成多头 [B, H, L, Dh]
        def split_heads(t):
            return t.view(B, L, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
        Q = split_heads(Q)  # [B, H, L, Dh]
        K = split_heads(K)
        V = split_heads(V)

        # 3. 生成 RoPE 的 cos/sin，并作用在 Q/K 上
        cos, sin = self.rotary_emb(seq_len=L, device=device)  # [1,1,L,Dh]
        Q = apply_rotary_pos_emb(Q, cos, sin)  # [B,H,L,Dh]
        K = apply_rotary_pos_emb(K, cos, sin)

        # 4. 缩放点积注意力
        scores = Q @ K.transpose(-2, -1) / (self.head_dim ** 0.5)  # [B,H,L,L]
        if attn_mask is not None:
            # 根据你项目里 attn_mask 的形状调整，这里假设 0 的地方是 mask 掉
            if attn_mask.dim() == 3:
                attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1)  # [B,1,L,L]
            scores = scores.masked_fill(attn_mask == 0, float('-inf'))

        attn = torch.softmax(scores, dim=-1)
        attn = self.dropout(attn)

        out = attn @ V  # [B,H,L,Dh]

        # 5. 合并多头
        out = out.transpose(1, 2).contiguous().view(B, L, self.d_model)
        out = self.w_o(out)  # [B,L,d_model]
        return out
class SwiGLUFFN(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, d_ff=4096, dropout=0.1):
        super().__init__()
        self.w1 = nn.Linear(d_model, 2 * d_ff)  # gate + value
        self.w2 = nn.Linear(d_ff, d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x):
        x_proj = self.w1(x)                    # [B, L, 2*d_ff]
        gate, value = x_proj.chunk(2, dim=-1)  # [B,L,d_ff] x2
        x = torch.nn.functional.silu(gate) * value  # SwiGLU
        x = self.w2(self.dropout(x))
        return x


class RMSNorm(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, eps=1e-8):
        super().__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.ones(d_model))
        self.eps = eps

    def forward(self, x):
        # x: [B,L,d_model]
        rms = x.pow(2).mean(dim=-1, keepdim=True).add(self.eps).sqrt()
        x_norm = x / rms
        return self.weight * x_norm


class DecoderBlockWithRoPE(nn.Module):
    """
    现代 LLM 风格的 Decoder Block：
    - RoPE + MHA
    - RMSNorm + Pre-Norm
    - SwiGLU FFN
    """
    def __init__(self, d_model, num_heads, d_ff=4096,
                 dropout=0.1, max_position_embeddings: int = 4096):
        super().__init__()
        self.self_attn = RoPEMultiHeadAttention(
            d_model=d_model,
            num_heads=num_heads,
            dropout=dropout,
            max_position_embeddings=max_position_embeddings,
        )
        self.ffn = SwiGLUFFN(d_model, d_ff, dropout)

        self.norm1 = RMSNorm(d_model)
        self.norm2 = RMSNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x, attn_mask=None):
        """
        x: [B, L, d_model]
        """
        # 1) Pre-Norm + RoPE Self-Attention
        h = self.norm1(x)
        attn_out = self.self_attn(h, attn_mask=attn_mask)
        x = x + self.dropout(attn_out)

        # 2) Pre-Norm + SwiGLU FFN
        h = self.norm2(x)
        ffn_out = self.ffn(h)
        x = x + self.dropout(ffn_out)

        return x

四、总结

这一篇我们把另外两件标配武器补齐了：

RoPE：不再给输入加位置向量，而是在 Q/K 空间对每对维度做“旋转”，让注意力点积天然依赖相对位置差，更适合长上下文与外推；
SwiGLU：给 FFN 加上一扇“门”，用 gate × value 的方式在通道维度上做细粒度控制，在相似参数量下比普通 GELU/ReLU FFN 更有表达力、训练更稳定。

到这里，已经把“现代 LLM 架构四件套：GQA / RoPE / SwiGLU / RMSNorm + Pre-Norm”串成一个整体故事了。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

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