掘金 人工智能 07月30日 19:23
从 RNN、CNN 到 Transformer:AI 的“江湖风云录”
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本文回顾了AI模型发展的历程,从早期擅长序列处理但存在记忆和速度瓶颈的循环神经网络(RNN),到在图像领域大放异彩、计算高效但视野受限的卷积神经网络(CNN),再到2017年横空出世、以“注意力机制”为核心、彻底改变AI格局的Transformer。Transformer凭借其全局视角、并行计算能力和出色的扩展性,开启了大模型时代,成为当前众多先进AI模型(如GPT)的基石。文章将这三者比喻为武林中的不同门派,形象地阐述了它们各自的特点、优劣及在AI发展史上的重要地位。

🔹 RNN(循环神经网络)作为AI江湖的初代宗师,擅长处理序列数据,如语言建模和语音识别,其核心在于“记忆”上一时刻的信息。然而,它存在梯度消失/爆炸导致的长期依赖问题和计算速度慢的缺点,尽管LSTM和GRU的出现有所改善,但本质问题仍未完全解决。

🔸 CNN(卷积神经网络)以其“卷积核”的局部扫描和并行计算能力,在图像处理领域取得巨大成功,如AlexNet、ResNet等。它能够兼顾全局与局部特征,训练速度快。后来,Text-CNN的出现也证明了CNN在文本处理上的强大能力,但其“局部视野”的限制,需要通过堆叠层数来弥补,增加了计算负担。

🌟 Transformer模型凭借其核心的“注意力机制”,彻底颠覆了AI模型的设计思路。它不再依赖序列计算,而是能够一次性处理全局信息,通过计算词语间的相关性来精准定位关键信息,有效解决了RNN的长期依赖问题。其“自注意力”和“多头注意力”机制,使得模型能从多维度理解上下文关系,显著提升了处理能力。

🚀 Transformer的架构(编码器+解码器)和“位置编码”解决了并行计算可能带来的顺序信息丢失问题。更重要的是,它开启了大模型时代,通过预训练一个“大而全”的基础模型,再进行少量微调,即可适应多种下游任务,其惊人的扩展性使其参数越多、数据越多,模型表现越强。

💡 Transformer被誉为AI江湖的“武林盟主”,它不仅是新一代模型,更是LLM(大型语言模型)的基础。GPT、LLaMA等模型的成功,都离不开Transformer架构的支撑,它们通过海量数据和庞大参数量,将Transformer的潜力发挥到极致,实现了强大的语言理解和生成能力。

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大家好,欢迎来到我们的“大模型江湖故事”系列开篇。今天,我们要聊聊一段AI江湖的血雨腥风——从循环神经网络(RNN)、卷积神经网络(CNN)到 Transformer 的“霸主更替”。

第一章:江湖初代宗师 RNN —— 一根筋的少林武僧

很久很久以前(大概 2013 年前后),江湖上流传着一门武功,名叫 循环神经网络 RNN

RNN 是个讲究“传承”的武林门派,每一招都得看上一招怎么打。上一刻学到的经验,会“传”到下一刻去打敌人。于是它特别擅长处理顺序任务:比如 语言建模、语音识别,就像练武时一招一式都得按顺序来。

但问题来了:

    这门武功练到后面记性不好,容易“忘前忘后”——我们叫它 梯度消失或梯度爆炸。它学得慢,算得也慢,因为每一招都得等上一招结束才能打下一招(序列计算)。

于是,江湖人开始改良:LSTM、GRU 相继登场,给 RNN 加上了“记忆小本本”,还能学着“选择性遗忘”。但,问题并没完全解决,RNN 依然是那种 功夫扎实却跑不快 的武僧。

第二章:神秘的剑客 CNN —— 横扫千军的少林棍法

正当 RNN 在江湖里苦苦挣扎时,一位剑客横空出世:卷积神经网络 CNN

CNN 原本是图像江湖的天才选手,擅长用“卷积核”在图像上来回扫荡,像是拿着放大镜在图片的每个角落找敌人。它的优势是:

于是 CNN 在图像界一路开挂,AlexNet、VGG、ResNet 接连称霸 ImageNet 大赛。
后来人们发现,CNN 也能做文本!一招“Text-CNN” 直接 KO 了一堆 RNN 模型。

但 CNN 终究有个短板:局部视野。它的“卷积核”一次只能看一小块,想看全局只能不断堆叠层数,堆得又高又深,计算量吓人。

第三章:绝世武学 Transformer —— 武林盟主登基

2017 年,Google 的研究院突然甩出了一本武林秘籍:《Attention is All You Need》。

这门新功夫名叫 Transformer,它改变了江湖的格局。

Transformer 的核心理念只有一句:

“别再一招一式排队打了,先看清全局,再精准出击。”

1. 整体架构:编码器 + 解码器

Transformer 是一个“双剑合璧”的架构,由 编码器(Encoder)解码器(Decoder) 组成:

类比:编码器像情报部门,先把敌人的情况摸清楚;解码器像指挥官,根据情报部署进攻。

(现在的 GPT 类模型其实只用解码器部分,但原版 Transformer 双剑齐发,翻译效果爆炸提升。)

2. 注意力机制(Attention):AI 的“鹰眼术”

RNN 按顺序看,CNN 局部扫描,而 Transformer 有一招绝技:

我一次看全局,谁重要我多关注,谁不重要我少关注。

这就是 注意力机制

比如一句话:“小明昨天买了苹果。”
当模型预测“苹果”这个词时,它能直接看到“买了”这个动词的重要性,而不是顺序挨个猜。

公式层面,注意力会算一个“相关性分数”,然后加权求和,简单说就是:

输出 = 所有词的“信息” × “和当前预测词的相关性”

3. 自注意力(Self-Attention):全员互相盘查

注意力有很多种,Transformer 用的是 自注意力

“我看自己,也看别人,大家互相打分。”

在一层自注意力里,每个词都会和句子里的其他词计算相关性分数,得到一个全局加权信息。

举例:预测“苹果”时,它不光看“买了”,还会看“昨天”、“小明”,判断上下文意义。

这招直接解决了 RNN 的远距离依赖问题,因为它可以 一步就跳到远方的词,不用一层层传递。

4. 多头注意力(Multi-Head Attention):八只眼睛看世界

单头注意力可能只能看一个角度,比如语义关系。那如果有多个不同维度的关系呢?

Transformer 的解决方案是:多头注意力

“每个头看不同的信息维度,最后合并。”

举例:

这就像八个高手一起观察敌情,得到的信息更全面。

5. 位置编码(Positional Encoding):别忘了顺序

Transformer 并行处理所有词,容易“失忆”:不清楚词的先后顺序。

于是它发明了 位置编码:给每个词加上一个“位置标签”,就像是给每个士兵编号。这样模型既能并行,又知道谁先谁后。

第四章:AI 江湖的大势

Transformer 不只是新一代的模型,它开启了 大模型时代

回头看,RNN 像苦修的少林武僧,CNN 像横扫千军的剑客,而 Transformer 则是拿着“自动瞄准导弹”的武林盟主。

未来的江湖会不会有人挑战 Transformer?我们不得而知,但可以确定的是,大模型才刚刚开始

彩蛋:三个知识点帮你记牢

    RNN 擅长处理序列,但有记忆力差、计算慢的缺点。CNN 用局部卷积+池化扫全局,计算快但“看不远”。Transformer 用注意力机制直接全局建模,能并行、能扩展,还能记顺序。

下期预告

下一篇,我们要聊聊 LLM(大型语言模型)是如何依靠 Transformer 练成“武林神功”的?

LLM = Transformer 的究极进化版,我们下一期就来揭开这层面纱!

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