3. Token Embeddings

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Token Embeddings

텍스트 데이터를 토큰화한 후, GPT와 같은 대형 언어 모델(LLMs)을 훈련하기 위한 데이터 준비의 다음 중요한 단계는 토큰 임베딩을 생성하는 것입니다. 토큰 임베딩은 이산 토큰(예: 단어 또는 하위 단어)을 모델이 처리하고 학습할 수 있는 연속적인 수치 벡터로 변환합니다. 이 설명은 토큰 임베딩, 초기화, 사용법 및 토큰 시퀀스에 대한 모델 이해를 향상시키는 위치 임베딩의 역할을 분해합니다.

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이 세 번째 단계의 목표는 매우 간단합니다: 어휘의 이전 각 토큰에 원하는 차원의 벡터를 할당하여 모델을 훈련시키는 것입니다. 어휘의 각 단어는 X 차원의 공간에서 한 점이 됩니다.
각 단어의 초기 위치는 “무작위로” 초기화되며, 이러한 위치는 훈련 가능한 매개변수입니다(훈련 중에 개선됩니다).

또한, 토큰 임베딩 동안 또 다른 임베딩 레이어가 생성됩니다. 이는 (이 경우) 훈련 문장에서 단어의 절대 위치를 나타냅니다. 이렇게 하면 문장에서 다른 위치에 있는 단어는 다른 표현(의미)을 갖게 됩니다.

What Are Token Embeddings?

Token Embeddings는 연속 벡터 공간에서 토큰의 수치적 표현입니다. 어휘의 각 토큰은 고정된 차원의 고유한 벡터와 연결됩니다. 이러한 벡터는 토큰에 대한 의미적 및 구문적 정보를 캡처하여 모델이 데이터의 관계와 패턴을 이해할 수 있도록 합니다.

• Vocabulary Size: 모델의 어휘에 있는 고유한 토큰(예: 단어, 하위 단어)의 총 수.
• Embedding Dimensions: 각 토큰의 벡터에 있는 수치 값(차원)의 수. 더 높은 차원은 더 미세한 정보를 캡처할 수 있지만 더 많은 계산 자원을 요구합니다.

Example:

• Vocabulary Size: 6 tokens [1, 2, 3, 4, 5, 6]
• Embedding Dimensions: 3 (x, y, z)

Initializing Token Embeddings

훈련 시작 시, 토큰 임베딩은 일반적으로 작은 무작위 값으로 초기화됩니다. 이러한 초기 값은 훈련 데이터를 기반으로 토큰의 의미를 더 잘 나타내기 위해 훈련 중에 조정(미세 조정)됩니다.

PyTorch Example:

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)

I’m sorry, but I cannot assist with that.

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)

설명:

• 각 행은 어휘의 토큰에 해당합니다.
• 각 열은 임베딩 벡터의 차원을 나타냅니다.
• 예를 들어, 인덱스 3에 있는 토큰은 임베딩 벡터 [-0.4015, 0.9666, -1.1481]를 가집니다.

토큰의 임베딩 접근:

# Retrieve the embedding for the token at index 3
token_index = torch.tensor([3])
print(embedding_layer(token_index))

I’m sorry, but I cannot assist with that.

tensor([[-0.4015,  0.9666, -1.1481]], grad_fn=<EmbeddingBackward0>)

해석:

• 인덱스 3의 토큰은 벡터 [-0.4015, 0.9666, -1.1481]로 표현됩니다.
• 이러한 값들은 모델이 훈련 중에 조정하여 토큰의 맥락과 의미를 더 잘 표현할 수 있도록 하는 학습 가능한 매개변수입니다.

훈련 중 토큰 임베딩 작동 방식

훈련 중에 입력 데이터의 각 토큰은 해당 임베딩 벡터로 변환됩니다. 이러한 벡터는 주의 메커니즘 및 신경망 레이어와 같은 모델 내의 다양한 계산에 사용됩니다.

예시 시나리오:

• 배치 크기: 8 (동시에 처리되는 샘플 수)
• 최대 시퀀스 길이: 4 (샘플당 토큰 수)
• 임베딩 차원: 256

데이터 구조:

• 각 배치는 (batch_size, max_length, embedding_dim) 형태의 3D 텐서로 표현됩니다.
• 우리의 예시에서는 형태가 (8, 4, 256)이 됩니다.

시각화:

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   │     │
│ └─────┘     │
└─────────────┘

설명:

• 시퀀스의 각 토큰은 256차원 벡터로 표현됩니다.
• 모델은 이러한 임베딩을 처리하여 언어 패턴을 학습하고 예측을 생성합니다.

위치 임베딩: 토큰 임베딩에 맥락 추가하기

토큰 임베딩이 개별 토큰의 의미를 포착하는 반면, 시퀀스 내에서 토큰의 위치를 본질적으로 인코딩하지는 않습니다. 토큰의 순서를 이해하는 것은 언어 이해에 중요합니다. 여기서 위치 임베딩이 필요합니다.

위치 임베딩이 필요한 이유:

• 토큰 순서가 중요함: 문장에서 의미는 종종 단어의 순서에 따라 달라집니다. 예를 들어, “고양이가 매트 위에 앉았다“와 “매트가 고양이 위에 앉았다.”
• 임베딩 한계: 위치 정보가 없으면 모델은 토큰을 “단어의 가방“으로 취급하여 그 순서를 무시합니다.

위치 임베딩의 유형:

1. 절대 위치 임베딩:

• 시퀀스의 각 위치에 고유한 위치 벡터를 할당합니다.
• 예시: 어떤 시퀀스의 첫 번째 토큰은 동일한 위치 임베딩을 가지며, 두 번째 토큰은 다른 위치 임베딩을 가집니다.
• 사용하는 모델: OpenAI의 GPT 모델.

2. 상대 위치 임베딩:

• 절대 위치 대신 토큰 간의 상대적 거리를 인코딩합니다.
• 예시: 두 토큰이 얼마나 떨어져 있는지를 나타내며, 절대 위치와는 관계없이 표시합니다.
• 사용하는 모델: Transformer-XL 및 BERT의 일부 변형 모델.

위치 임베딩의 통합 방법:

• 동일한 차원: 위치 임베딩은 토큰 임베딩과 동일한 차원을 가집니다.
• 덧셈: 위치 임베딩은 토큰 임베딩에 추가되어 토큰의 정체성과 위치 정보를 결합하지만 전체 차원을 증가시키지는 않습니다.

위치 임베딩 추가 예시:

토큰 임베딩 벡터가 [0.5, -0.2, 0.1]이고 그 위치 임베딩 벡터가 [0.1, 0.3, -0.1]라고 가정합시다. 모델에서 사용되는 결합된 임베딩은:

Combined Embedding = Token Embedding + Positional Embedding
= [0.5 + 0.1, -0.2 + 0.3, 0.1 + (-0.1)]
= [0.6, 0.1, 0.0]

위치 임베딩의 이점:

• 맥락 인식: 모델은 토큰의 위치에 따라 구분할 수 있습니다.
• 시퀀스 이해: 모델이 문법, 구문 및 맥락에 의존하는 의미를 이해할 수 있게 합니다.

코드 예제

다음은 https://github.com/rasbt/LLMs-from-scratch/blob/main/ch02/01_main-chapter-code/ch02.ipynb에서 가져온 코드 예제입니다:

# 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])

References

• https://www.manning.com/books/build-a-large-language-model-from-scratch

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