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3. Token Embeddings
Token Embeddings
Após a tokenização dos dados textuais, o próximo passo crítico na preparação de dados para treinar grandes modelos de linguagem (LLMs) como o GPT é criar token embeddings. Token embeddings transformam tokens discretos (como palavras ou subpalavras) em vetores numéricos contínuos que o modelo pode processar e aprender. Esta explicação detalha token embeddings, sua inicialização, uso e o papel dos embeddings posicionais em melhorar a compreensão do modelo sobre sequências de tokens.
{% hint style="success" %}
O objetivo desta terceira fase é muito simples: Atribuir a cada um dos tokens anteriores no vocabulário um vetor das dimensões desejadas para treinar o modelo. Cada palavra no vocabulário será um ponto em um espaço de X dimensões.
Note que inicialmente a posição de cada palavra no espaço é apenas inicializada "aleatoriamente" e essas posições são parâmetros treináveis (serão melhorados durante o treinamento).
Além disso, durante o token embedding outra camada de embeddings é criada que representa (neste caso) a posição absoluta da palavra na frase de treinamento. Dessa forma, uma palavra em diferentes posições na frase terá uma representação (significado) diferente. {% endhint %}
O Que São Token Embeddings?
Token Embeddings são representações numéricas de tokens em um espaço vetorial contínuo. Cada token no vocabulário está associado a um vetor único de dimensões fixas. Esses vetores capturam informações semânticas e sintáticas sobre os tokens, permitindo que o modelo entenda relacionamentos e padrões nos dados.
- Tamanho do Vocabulário: O número total de tokens únicos (por exemplo, palavras, subpalavras) no vocabulário do modelo.
- Dimensões do Embedding: O número de valores numéricos (dimensões) no vetor de cada token. Dimensões mais altas podem capturar informações mais sutis, mas requerem mais recursos computacionais.
Exemplo:
- Tamanho do Vocabulário: 6 tokens [1, 2, 3, 4, 5, 6]
- Dimensões do Embedding: 3 (x, y, z)
Inicializando Token Embeddings
No início do treinamento, os token embeddings são tipicamente inicializados com pequenos valores aleatórios. Esses valores iniciais são ajustados (afinados) durante o treinamento para representar melhor os significados dos tokens com base nos dados de treinamento.
Exemplo PyTorch:
import torch
# Set a random seed for reproducibility
torch.manual_seed(123)
# Create an embedding layer with 6 tokens and 3 dimensions
embedding_layer = torch.nn.Embedding(6, 3)
# Display the initial weights (embeddings)
print(embedding_layer.weight)
Saída:
luaCopy codeParameter containing:
tensor([[ 0.3374, -0.1778, -0.1690],
[ 0.9178, 1.5810, 1.3010],
[ 1.2753, -0.2010, -0.1606],
[-0.4015, 0.9666, -1.1481],
[-1.1589, 0.3255, -0.6315],
[-2.8400, -0.7849, -1.4096]], requires_grad=True)
Explicação:
- Cada linha corresponde a um token no vocabulário.
- Cada coluna representa uma dimensão no vetor de embedding.
- Por exemplo, o token no índice
3tem um vetor de embedding[-0.4015, 0.9666, -1.1481].
Acessando o Embedding de um Token:
# Retrieve the embedding for the token at index 3
token_index = torch.tensor([3])
print(embedding_layer(token_index))
Saída:
tensor([[-0.4015, 0.9666, -1.1481]], grad_fn=<EmbeddingBackward0>)
Interpretação:
- O token no índice
3é representado pelo vetor[-0.4015, 0.9666, -1.1481]. - Esses valores são parâmetros treináveis que o modelo ajustará durante o treinamento para representar melhor o contexto e o significado do token.
Como os Embeddings de Token Funcionam Durante o Treinamento
Durante o treinamento, cada token nos dados de entrada é convertido em seu vetor de embedding correspondente. Esses vetores são então usados em vários cálculos dentro do modelo, como mecanismos de atenção e camadas de rede neural.
Cenário de Exemplo:
- Tamanho do Lote: 8 (número de amostras processadas simultaneamente)
- Comprimento Máximo da Sequência: 4 (número de tokens por amostra)
- Dimensões do Embedding: 256
Estrutura de Dados:
- Cada lote é representado como um tensor 3D com forma
(batch_size, max_length, embedding_dim). - Para nosso exemplo, a forma seria
(8, 4, 256).
Visualização:
cssCopy codeBatch
┌─────────────┐
│ Sample 1 │
│ ┌─────┐ │
│ │Token│ → [x₁₁, x₁₂, ..., x₁₂₅₆]
│ │ 1 │ │
│ │... │ │
│ │Token│ │
│ │ 4 │ │
│ └─────┘ │
│ Sample 2 │
│ ┌─────┐ │
│ │Token│ → [x₂₁, x₂₂, ..., x₂₂₅₆]
│ │ 1 │ │
│ │... │ │
│ │Token│ │
│ │ 4 │ │
│ └─────┘ │
│ ... │
│ Sample 8 │
│ ┌─────┐ │
│ │Token│ → [x₈₁, x₈₂, ..., x₈₂₅₆]
│ │ 1 │ │
│ │... │ │
│ │Token│ │
│ │ 4 │ │
│ └─────┘ │
└─────────────┘
Explicação:
- Cada token na sequência é representado por um vetor de 256 dimensões.
- O modelo processa essas embeddings para aprender padrões de linguagem e gerar previsões.
Embeddings Posicionais: Adicionando Contexto às Embeddings de Token
Enquanto as embeddings de token capturam o significado de tokens individuais, elas não codificam inherentemente a posição dos tokens dentro de uma sequência. Compreender a ordem dos tokens é crucial para a compreensão da linguagem. É aqui que as embeddings posicionais entram em cena.
Por que as Embeddings Posicionais são Necessárias:
- A Ordem dos Tokens Importa: Em frases, o significado muitas vezes depende da ordem das palavras. Por exemplo, "O gato sentou no tapete" vs. "O tapete sentou no gato."
- Limitação da Embedding: Sem informações posicionais, o modelo trata os tokens como um "saco de palavras", ignorando sua sequência.
Tipos de Embeddings Posicionais:
- Embeddings Posicionais Absolutos:
- Atribui um vetor de posição único a cada posição na sequência.
- Exemplo: O primeiro token em qualquer sequência tem a mesma embedding posicional, o segundo token tem outra, e assim por diante.
- Usado Por: Modelos GPT da OpenAI.
- Embeddings Posicionais Relativos:
- Codifica a distância relativa entre tokens em vez de suas posições absolutas.
- Exemplo: Indica quão distantes dois tokens estão, independentemente de suas posições absolutas na sequência.
- Usado Por: Modelos como Transformer-XL e algumas variantes do BERT.
Como as Embeddings Posicionais são Integradas:
- Mesmas Dimensões: As embeddings posicionais têm a mesma dimensionalidade que as embeddings de token.
- Adição: Elas são adicionadas às embeddings de token, combinando a identidade do token com informações posicionais sem aumentar a dimensionalidade geral.
Exemplo de Adição de Embeddings Posicionais:
Suponha que um vetor de embedding de token seja [0.5, -0.2, 0.1] e seu vetor de embedding posicional seja [0.1, 0.3, -0.1]. A embedding combinada usada pelo modelo seria:
Combined Embedding = Token Embedding + Positional Embedding
= [0.5 + 0.1, -0.2 + 0.3, 0.1 + (-0.1)]
= [0.6, 0.1, 0.0]
Benefícios dos Embeddings Posicionais:
- Consciência Contextual: O modelo pode diferenciar entre tokens com base em suas posições.
- Compreensão de Sequência: Permite que o modelo entenda gramática, sintaxe e significados dependentes do contexto.
Exemplo de Código
Seguindo com o exemplo de código de https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch/blob/main/ch02/01_main-chapter-code/ch02.ipynb:
# Use previous code...
# Create dimensional emdeddings
"""
BPE uses a vocabulary of 50257 words
Let's supose we want to use 256 dimensions (instead of the millions used by LLMs)
"""
vocab_size = 50257
output_dim = 256
token_embedding_layer = torch.nn.Embedding(vocab_size, output_dim)
## Generate the dataloader like before
max_length = 4
dataloader = create_dataloader_v1(
raw_text, batch_size=8, max_length=max_length,
stride=max_length, shuffle=False
)
data_iter = iter(dataloader)
inputs, targets = next(data_iter)
# Apply embeddings
token_embeddings = token_embedding_layer(inputs)
print(token_embeddings.shape)
torch.Size([8, 4, 256]) # 8 x 4 x 256
# Generate absolute embeddings
context_length = max_length
pos_embedding_layer = torch.nn.Embedding(context_length, output_dim)
pos_embeddings = pos_embedding_layer(torch.arange(max_length))
input_embeddings = token_embeddings + pos_embeddings
print(input_embeddings.shape) # torch.Size([8, 4, 256])