大模型技术架构与应用模式的辨析

xiejin77 · 发表于 2024-3-26 09:35:44

大模型技术架构与应用模式的辨析
大模型的出现,为人工智能的发展开启了新的篇章。随着ChatGPT等大模型应用的爆火,人们对大模型的关注达到了前所未有的高度。但在技术创新的背后,如何构建稳定、高效、智能的大模型应用架构,是一个不容忽视的现实问题。本文将根据一篇探讨大模型应用架构模式的文章进行分析和讨论。通过剖析文章的主要观点、分析其合理性和不足之处,并结合软件工程的一般原则,尝试理清当前大模型应用架构的发展脉络,探索未来可能的演进方向。在这个过程中,我们的原则是既要立足当下,脚踏实地,又要放眼未来,开拓思路。

原文链接：
大模型应用的10种架构模式
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一、观点辨析
1. 这篇文章的主要观点
这篇文章提出了10种大模型应用的架构模式,包括路由分发模式、大模型代理模式、多任务微调模式、面向微调的分层缓存策略模式、混合规则模式、知识图谱模式、智能体蜂巢模式、智能体组合模式、记忆认知模式和双重安全模式。作者认为,这些模式可以帮助解决大模型应用实现中的一些挑战,如成本问题、延迟问题以及生成的不准确性等。

2. 观点的合理之处
前瞻性的架构探索对新兴领域是必要的:大模型应用还处于起步阶段,尚无成熟的架构模式可循。作者从实践出发,探索性地提出一些架构思路,这种前瞻性的探索对于新兴领域的发展是必要且有益的。它为后续的研究和实践提供了参考和启发,有助于加速大模型应用的成熟。作者提出的模式具有一定的代表性和启发性:文中提到的10个模式,涵盖了路由、代理、微调、缓存、规则、知识、智能体、认知、安全等多个方面,反映了大模型应用的一些共性问题和解决思路。这些模式具有一定的代表性,总结了当前阶段的一些典型做法。同时这些模式也给从业者以启发,拓展了架构设计的思路。

3. 观点的不足之处
大模型应用的主要构件边界还不明确，由于大模型技术本身还在快速发展,其内部机理尚不明朗,主要功能模块的划分还比较粗糙,构件间的边界也比较模糊。这种不确定性,导致很难对大模型进行清晰的架构抽象和建模。作者提出的一些模式,也难免受此影响,显得比较泛化和概念化。模式所针对的问题领域还不够具体，文中提及的一些挑战,如成本、延迟、准确性等,还比较笼统,缺乏具体的问题情景。作者所描述的模式,也较多停留在概念层面,没有深入到具体领域中去。这导致这些模式的适用性和针对性不强,难以给具体的系统设计和实现以直接指导。模式缺乏足够的实践案例支撑，文章更多是作者基于自身经验的总结和推断,尚缺乏大规模的实际应用案例的支撑。这些模式的有效性和适用边界,还有待在更多真实项目中去验证。没有经过充分实践检验的模式,其价值可能打折扣。模式的可操作性和指导性有待验证，文中对模式的描述比较简略,停留在抽象而不是具体的层次。这些模式给人的感觉是,点到即止,不够细致入微,缺乏可操作的细节。对于实际的开发者而言,如何将这些模式应用到具体系统中去,如何跟具体的技术框架和工具相结合,还需要更多的思考和探索。模式的指导性,有待进一步加强。

这篇文章提出的大模型应用架构模式,在当前阶段具有一定的前瞻性和启发性,为这个新兴领域的发展探索了一些有益的方向。但受限于大模型技术自身的不成熟,以及实践案例的缺乏,这些模式还难免存在一些不足之处,有待在后续的研究和实践中不断完善和发展。

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二、基于技术架构特点的大模型架构模式
大模型的技术架构还在日新月异的发展中，跳出这滚滚向前的技术浪潮，我也试图从技术视角来归纳一下主要的技术架构模式。这和面向解决方案的应用模式还有所不同。主要是从技术的角度来归纳拆分。

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以下是我归纳的几个主要的面向技术的大模型技术架构模式,每个模式下都列举了几个典型的子类或变体。这些模式从大模型自身的架构维度出发,覆盖了大模型应用系统的主要组成部分,也反映了当前大模型应用技术构建的一些主流架构思路。当然,随着大模型技术的不断发展,未来可能还会出现一些新的架构模式。

1. Pipeline模式
Pipeline模式是一种常见的数据处理架构,它将整个处理过程划分为一系列顺序或并行的阶段。每个阶段完成特定的任务,并将结果传递给下一阶段,直到整个处理流程完成。在大模型应用中,Pipeline模式可以用于组织复杂的任务流程,提高系统的可理解性和可维护性。

Sequential Pipeline:顺序执行的任务流水线。适用于各阶段任务依赖关系明确,需要严格按照顺序执行的场景。如多轮对话中的语义理解、对话管理、回复生成等环节,通常需要按照顺序依次处理。Sequential Pipeline的优点是结构简单、控制流清晰,便于理解和调试。缺点是任务的执行时间取决于最慢的一个阶段,整体效率可能较低。

Parallel Pipeline:并行执行的任务流水线。适用于各阶段任务相对独立,可以并行处理以提高效率的场景。如多模态融合中的文本、图像、语音等不同模态的特征提取,可以并行进行以节省时间。Parallel Pipeline的优点是能够充分利用计算资源,显著提升任务的执行效率。缺点是需要额外的同步和通信机制,流程控制较为复杂。

Hybrid Pipeline:顺序-并行混合的任务流水线。综合了顺序执行和并行执行的优点,在不同粒度上灵活组织任务。适用于既有依赖关系、又有并行可能的复杂任务场景。如知识图谱构建中,实体抽取和关系抽取可以并行,但三元组生成依赖于前两个步骤,需要顺序执行。Hybrid Pipeline的优点是可以在更细粒度上优化任务执行效率,平衡时间和资源的约束。缺点是设计和实现的复杂度较高,需要仔细划分任务阶段。

Pipeline模式使大模型的任务处理流程模块化和标准化,不同阶段可以独立开发和优化,提高了系统的可维护性。同时,Pipeline模式也为任务的分布式执行提供了天然的支持,可以将不同阶段部署到不同的计算节点,实现计算资源的弹性扩展。

2. Plugins模式
Plugins模式是一种基于插件架构的设计模式,它将系统的核心功能和扩展功能解耦,允许通过插件的方式灵活地扩展系统的能力。在大模型应用中,Plugins模式可以提高系统的可扩展性和适应性,降低新功能的开发和集成成本。

Preprocessor Plugins:数据预处理插件。用于在主要任务执行前,对原始数据进行转换、清洗、特征提取等预处理操作。如自然语言处理中的分词、词性标注、命名实体识别等,都可以通过插件的方式集成。Preprocessor Plugins的优点是可以将数据预处理与主要任务解耦,方便引入新的预处理算法和模型。缺点是需要定义清晰的数据交换格式和接口协议。

Postprocessor Plugins:数据后处理插件。用于在主要任务执行后,对原始结果进行加工、过滤、格式转换等后处理操作。如对话系统中的情绪识别、语义纠错、同义句生成等,可以通过后处理插件来实现,丰富系统的响应能力。Postprocessor Plugins的优点是可以灵活地组合和定制系统的输出,满足不同的应用需求。缺点是插件的执行顺序和组合方式需要仔细设计,以避免不一致或冲突。

Sidecar Plugins:辅助功能插件,如缓存、日志等。为主要任务提供辅助支持,提高系统的非功能属性。如通过缓存插件来缓存常见问题的回复,通过日志插件来记录系统的运行状态和异常情况等。Sidecar Plugins的优点是可以解耦系统的核心逻辑和辅助功能,提高系统的可维护性。缺点是需要协调插件与主要任务之间的交互和数据一致性。

Adapter Plugins:外部系统适配插件。用于连接和适配外部数据源或服务,扩展系统的数据处理能力。如对接知识库、对话平台、搜索引擎等外部系统,通过适配插件将其能力集成到大模型应用中。Adapter Plugins的优点是可以显著扩展系统的功能边界,集成更多外部资源。缺点是需要处理不同系统之间的异构性,并考虑安全性、稳定性等问题。

Plugins模式提供了一种松耦合的架构,使得大模型应用可以灵活地扩展新的功能和特性,而无需修改核心代码。同时,Plugins模式也有利于不同团队或社区的协作,可以各自独立开发和维护不同的插件模块。

3. Middleware模式
Middleware模式是一种通用的软件架构模式,它引入一个中间件层来连接和协调分布式系统中的不同组件。在大模型应用中,Middleware模式可以简化服务管理和通信,提供标准化的互操作接口,屏蔽底层系统的异构性。

Serving Middleware:服务中间件,负责请求的分发与响应。它接收外部请求,将其分发给后端的推理服务,并将推理结果返回给请求方。服务中间件可以进行负载均衡、流量控制、服务编排等,以提高系统的吞吐量和可用性。Serving Middleware的优点是简化了服务的访问和管理,提供了一个统一的入口。缺点是可能引入额外的延迟,需要仔细优化性能。

Caching Middleware:缓存中间件,负责数据的缓存与更新。它在内存或高速存储中缓存常用的模型参数、embedding向量、检索结果等,减少重复计算,提高查询效率。缓存中间件需要处理缓存一致性、更新策略、过期淘汰等问题。Caching Middleware的优点是可以显著提升系统的响应速度和吞吐量。缺点是需要权衡缓存的成本和收益,并处理缓存与底层数据之间的同步。

Logging Middleware:日志中间件,负责系统的日志收集与分析。它拦截各个服务节点的运行日志,将其集中收集、存储、索引,方便进行统一的日志分析和问题定位。日志中间件可以基于分布式日志方案如ELK等。Logging Middleware的优点是提供了一个全局的视角来审视系统的运行状况,方便故障诊断和性能优化。缺点是日志的收集和存储会占用额外的资源,需要精心设计日志的格式和采样策略。

Security Middleware:安全中间件,负责认证、授权、审计等安全功能。它对外部请求进行身份认证和权限验证,并记录审计日志,确保系统的安全性。安全中间件可以集成身份管理、访问控制、加密通信等服务。Security Middleware的优点是提供了一个集中的安全控制点,增强了系统的防护能力。缺点是引入了额外的安全开销,需要仔细平衡安全性和性能。

Middleware模式通过引入一个中间件层,将大模型应用中的不同服务和组件解耦,简化了它们之间的交互和管理。中间件提供了一组标准化的API和协议,屏蔽了底层系统的差异,使得服务的开发和集成更加方便。同时,中间件也是一个天然的扩展点,可以通过中间件来引入各种横切关注点,如监控、tracing、熔断等,以提高系统的可观测性和可靠性。

4. Workflow模式
Workflow模式是一种流程驱动的架构模式,它将业务逻辑抽象为一系列相互关联的任务,并通过工作流引擎来编排和执行任务。在大模型应用中,Workflow模式可以灵活地组合和调度不同的模型服务,实现复杂的应用逻辑。

DAG Workflow:有向无环图工作流。它使用有向无环图来描述任务之间的依赖关系和执行顺序,可以自动推断任务的并行度,实现高效的任务调度。DAG工作流适用于批处理、离线分析等场景。DAG Workflow的优点是可以自动识别任务的并行性,最大化地利用计算资源,加速任务的执行。缺点是DAG的构建和优化比较复杂,需要静态地分析任务之间的依赖关系。

State Machine Workflow:状态机工作流。它使用有限状态机来描述任务的执行过程,每个状态对应一个任务步骤,状态之间的转换对应任务的执行顺序。状态机工作流适用于事件驱动、交互式的应用场景。State Machine Workflow的优点是可以清晰地描述任务的执行逻辑和状态转换,易于理解和实现。缺点是状态机的设计可能会比较复杂,需要考虑各种可能的异常情况和边界条件。

Rule-based Workflow:规则驱动工作流。它使用一系列if-then规则来描述任务的执行条件和触发动作,可以灵活地应对不同的输入和上下文。规则驱动工作流适用于策略决策、推荐系统等场景。Rule-based Workflow的优点是可以方便地表达复杂的业务逻辑,易于扩展和维护。缺点是规则的管理和优化可能比较困难,需要权衡规则的覆盖度和精确度。

Workflow模式为大模型应用提供了一种灵活的编排和调度机制,可以将不同的模型服务组装成端到端的应用流程。通过工作流的抽象,可以降低应用开发的复杂度,提高任务执行的效率和可靠性。工作流引擎通常提供了一系列的工具和接口,如任务调度、状态管理、容错恢复等,方便开发者来构建和操作工作流。

5. Federated Learning模式
Federated Learning模式是一种分布式机器学习范式,它允许多个参与方在不共享原始数据的情况下,协同训练一个共享的模型。在大模型应用中,Federated Learning模式可以保护数据隐私,支持跨域协作,训练个性化的模型。

Horizontal Federated Learning:样本划分的联邦学习。它将不同参与方的数据集按照样本维度进行划分,每个参与方只持有部分样本。参与方在本地对自己的样本进行训练,并交换模型参数,最终聚合为全局模型。横向联邦学习适用于不同参与方拥有相同特征空间但样本不同的场景,如不同医院训练医疗诊断模型。

Vertical Federated Learning:特征划分的联邦学习。它将不同参与方的数据集按照特征维度进行划分,每个参与方只持有部分特征。参与方在本地计算自己所拥有特征的中间结果,并交换加密的中间结果,经过安全的多方计算,得到最终的模型。纵向联邦学习适用于不同参与方拥有不同特征但样本ID相同的场景,如银行和电商联合训练信用评估模型。

Federated Transfer Learning:联邦迁移学习。它在联邦学习的基础上引入迁移学习,让不同参与方的本地模型在共享的全局模型的基础上进行微调,从而得到个性化的模型。联邦迁移学习通过知识的共享和复用,减少了每个参与方的训练成本,提高了模型的泛化能力。

在大模型的联邦学习中,通信效率、安全隐私、激励机制等都是需要重点考虑的问题。需要设计高效的通信协议,尽可能减少参数交换的频次和数量;采用同态加密、差分隐私等技术,防止敏感信息的泄露;构建合理的激励机制,调动各参与方的积极性,形成可持续的联邦生态。

6. Continuous Learning模式
Continuous Learning模式是一种持续学习的架构模式,它允许模型在部署后继续从新的数据中学习,不断改进和适应环境的变化。在大模型应用中,Continuous Learning模式可以帮助模型长期保持更新,应对概念漂移,提高模型的鲁棒性和适应性。

Incremental Learning:增量学习。它在保留已学知识的基础上,逐步学习新的知识,避免灾难性遗忘。增量学习通过小批量的数据更新模型,控制更新率,平衡新旧知识的权重。

Lifelong Learning:终身学习。它在连续的任务序列中不断学习,通过知识蒸馏、元学习等技术,在已学任务上实现正向迁移,避免负向干扰。终身学习强调知识的累积和高效再利用。

Curriculum Learning:课程学习。它模仿人类的学习策略,从简单到复杂、从易到难地安排学习任务和训练数据。通过合理的课程设计,引导模型逐步掌握知识,加速收敛过程。

在大模型的持续学习中,需要重点关注灾难性遗忘、概念漂移、资源受限等问题。通过知识蒸馏、弹性缓冲区、示例选择等技术,尽可能保留模型已学的稳定知识;通过自适应学习率、动态loss权重等方法,使模型快速适应新的数据分布;通过增量结构、模块化设计等策略,控制模型增长的复杂度,提高资源利用效率。

持续学习使大模型变得更加智能和自主,赋予了它们在动态环境中自我完善、自我进化的能力。随着持续学习技术的发展,大模型有望从单纯的知识存储库和推理引擎,逐步发展为具有认知智能和创造力的智能主体。这必将极大地拓展大模型的应用空间,开创智能系统发展的新纪元。

7. Multimodal Learning模式
Multimodal Learning模式是一种多模态学习的架构模式,它将来自不同模态的信息进行融合,联合建模,实现跨模态的理解和生成。在大模型应用中,Multimodal Learning模式可以发掘模态间的互补信息,提高模型的感知和表达能力。

Early Fusion:数据层面的早期融合。它在输入层将不同模态的数据拼接或对齐,形成统一的表示,然后送入模型进行学习。早期融合可以充分利用模态间的低层次关联,捕捉它们之间的互补和冗余信息。但早期融合对数据的同步和对齐要求较高,且融合后的高维特征可能带来计算开销。

Late Fusion:决策层面的后期融合。它在输出层将不同模态的预测结果进行组合,如加权平均、投票等,得到最终的决策。后期融合允许每个模态独立建模,减少了模态间的相互干扰。它可以灵活地探索模态间的决策关系,并行化模型的训练和推理过程。但后期融合没有考虑模态间的低层互动,可能损失一些重要的语义信息。

Intermediate Fusion:中间特征层面的融合。它在模型的中间层提取不同模态的高层语义特征,通过注意力机制、图神经网络等方式进行融合。中间融合在特征层面上建立模态间的语义桥梁,既考虑了它们的独立性,又建模了它们的交互性。与早期和后期融合相比,中间融合在精度和效率之间取得了较好的平衡。但中间融合的实现复杂度较高,需要精心设计特征交互和融合方式。

Multimodal Learning模式通过多模态信息的融合,增强了大模型对不同模态数据的理解和生成能力。它可以在语音识别、视频描述、图文问答等多模态场景中,显著提升模型的性能。同时,多模态学习也有助于缓解数据稀疏问题,不同模态可以互相补充和促进,让模型学到更加鲁棒和全面的表示。

8. Knowledge Grounded模式
Knowledge Grounded模式是一种知识驱动的架构模式,它将外部知识引入模型的学习过程,丰富模型的背景知识,增强其理解和生成能力。在大模型应用中,Knowledge Grounded模式可以突破模型自身知识的局限,提高模型的可解释性和可控性。

Retrieval-based Grounding:基于检索的知识引入。它通过构建外部知识库,在训练和推理过程中,检索与输入相关的知识片段,将其作为模型的附加输入。检索可以使用传统的信息检索技术,如TF-IDF、BM25等,也可以使用语义检索模型,如FAISS、ScaNN等。基于检索的知识引入方法简单直观,但其效果受知识库的质量和覆盖度影响较大,检索效率也可能成为瓶颈。

Generation-based Grounding:基于生成的知识融合。它通过预训练一个知识生成模型,在训练和推理过程中,动态生成与输入相关的背景知识。知识生成模型可以是基于语言模型的文本生成模型,如GPT、BART等,也可以是基于知识图谱的结构化生成模型,如GraphWriter、KG-BART等。生成式的知识融合更加灵活,不受限于固定的知识库,但对知识生成模型的质量和泛化能力要求较高。

Reasoning-based Grounding:基于推理的知识揉合。它在模型中引入显式的知识推理机制,如符号推理、因果推理等,将结构化的知识表示与神经网络结合。常见的方法有神经符号推理、神经逻辑编程、神经模块网络等。基于推理的知识揉合可以赋予模型强大的逻辑推理和解释能力,但推理过程的引入也增加了模型的复杂度和训练难度。

Knowledge Grounded模式使大模型能够利用外部知识来增强其理解和生成能力,突破了单纯依赖数据学习的限制。它在智能问答、知识图谱问答、事实检查等需要背景知识的任务中发挥了重要作用。同时,知识的引入也提高了模型输出的可解释性和可控性,用户可以追溯模型的知识来源,并对其进行编辑和更新。

9. Interactive Learning模式
Interactive Learning模式是一种交互式学习的架构模式,它强调人机交互在模型学习中的重要作用。在大模型应用中,Interactive Learning模式可以引入人类知识,指导模型学习,同时也让模型更好地适应人类的需求和偏好。

Active Learning:主动学习。它允许模型主动向人类提问,挑选最有价值的样本让人类标注,从而有针对性地改进模型。主动学习的关键是样本选择策略,常见的策略有不确定性采样、密度加权采样、基于委员会的采样等。主动学习可以减少标注成本,加快模型进步,在标注预算有限的场景中尤为有效。但主动学习需要设计良好的人机交互界面,并平衡探索和利用,以获得最优的学习效果。

Reinforcement Learning:强化学习。它通过环境中的奖励信号来指导模型的行为,使其学会在交互中做出最优决策。在对话、推荐等场景中,可以将人类的反馈(如点击、评分、情感等)作为奖励,训练模型生成更加个性化、互动性强的响应。强化学习可以让模型适应动态环境,不断进化以满足用户需求。但强化学习面临着奖励稀疏、探索效率低等难点,且对在线系统的安全性和伦理性提出了更高要求。

Imitation Learning:模仿学习。它通过让模型模仿人类专家的行为,快速掌握领域知识。可以收集专家的操作日志、演示数据等作为示范,指导模型学习。示范数据可以通过人工标注、众包采集等方式获得,也可以通过虚拟环境中的专家策略生成。模仿学习可以显著提高学习效率,减少探索代价。但示范数据的质量和丰富度十分关键,需要权衡数据收集成本和学习效果。同时,模仿学习也面临着分布偏移问题,需要谨慎地将示范策略泛化到新的环境中。

Human-in-the-loop Learning:人机交互学习。它强调人类参与到模型学习的各个环节中,包括数据标注、模型调优、结果评估等。通过引入人类的领域知识和偏好,可以训练更加可靠和可控的模型。人机交互学习适用于高风险、高质量要求的应用场景,如医疗诊断、金融决策等。但人机交互学习对人力成本和交互界面的要求较高,需要权衡人工参与的程度和效率。同时,还要注意人类反馈的一致性和公平性,避免引入偏见和歧视。

Interactive Learning模式使大模型能够通过人机交互来持续学习和进化,快速适应实际应用环境。它打破了传统的离线训练和在线服务分离的界限,让模型能够在部署后继续学习和优化。同时,交互式学习也为人类提供了参与和控制模型学习的渠道,增强了模型的可解释性和可控性。

10. Prompt Engineering模式
Prompt Engineering模式是一种提示工程的架构模式,它通过设计优化输入提示,来引导大模型生成符合特定要求的输出。在大模型应用中,Prompt Engineering模式可以发掘模型的潜力,实现更加精准和可控的生成效果。

Template-based Prompting:基于模板的提示。它使用预定义的填空模板来格式化输入,将任务要求以结构化的形式传递给模型。模板通常包含任务描述、输入槽位、输出格式等信息。基于模板的提示简单直观,易于理解和编写,但灵活性有限,难以应对复杂多变的任务需求。

Instruction-based Prompting:基于指令的提示。它使用自然语言指令来描述任务要求,告诉模型应该执行什么样的操作。相比模板,指令提供了更加灵活和抽象的任务表达方式。基于指令的提示可以应对开放域的任务,赋予模型更强的理解和执行能力。但指令的质量和覆盖度直接影响模型的表现,需要大量的指令数据和精心的设计优化。

Chain-of-Thought Prompting:基于思维链的提示。它引导模型生成推理过程,而不是直接给出最终答案。通过设计中间步骤提示,鼓励模型进行逐步推理、多步解题,并输出完整的思考链。基于思维链的提示可以提高模型在复杂推理任务上的表现,增强输出的可解释性。但思维链的构建需要标注推理轨迹,成本较高,且对模型的推理能力提出了更高要求。

Prompt Tuning:提示微调。它将提示视为模型的一部分,将提示参数化并加入训练过程。通过端到端地优化提示和模型,可以获得更加适配下游任务的提示表示。提示微调可以显著提升模型在小样本和零样本场景下的表现,实现提示的自动生成和优化。但提示微调需要引入新的学习范式,对参数效率和泛化能力提出了挑战。

Prompt Engineering模式使大模型能够在应用中释放更大的潜力,实现更加精准、高效、可控的生成效果。它通过输入端的提示优化,将任务知识和要求巧妙地引入生成过程,指导模型进行理解、推理和生成。同时,提示工程也为人类提供了更加自然和灵活的交互方式,使得非专业用户也能轻松使用大模型的能力。

11. Efficient Serving模式
Efficient Serving模式是一种高效服务的架构模式,它通过模型优化、推理加速、资源管理等技术,提高大模型推理服务的性能和效率。在大模型应用中,Efficient Serving模式可以降低推理延迟,提高服务吞吐,节省计算资源。

Model Compression:模型压缩。它通过参数量化、剪枝、蒸馏等技术,在保持模型性能的同时,减小模型体积和计算量。量化将模型参数从浮点数转换为低位宽的整数,如8位、4位等,显著降低内存占用和计算开销。剪枝通过移除冗余和不重要的参数或连接,得到一个稀疏化的小模型。蒸馏通过训练一个小模型来模仿大模型的行为,实现知识的浓缩和继承。

Model Parallelism:模型并行。它通过将大模型划分为多个子模型,分布在不同的设备或节点上,实现并行计算。模型并行可以突破单机内存和算力的限制,支持超大规模模型的训练和推理。常见的模型并行方式有张量并行、流水线并行、专家并行等。张量并行将模型的层内张量切分到不同设备,流水线并行将模型的层间计算划分到不同阶段,专家并行将模型不同的子任务路由到不同的专家网络。

Adaptive Inference:自适应推理。它根据输入的复杂度和资源限制,动态调整推理过程,在效率和效果之间进行平衡。常见的自适应推理技术有早期退出、深度选择、宽度选择等。早期退出通过设置退出分支,在浅层就输出预测,跳过后续计算。深度选择通过评估每层的信息增益,决定推理的深度。宽度选择通过路由机制,选择不同规模的子网络来处理输入。自适应推理可以根据算力预算和时延要求,灵活地控制推理效率。

Inference Optimization:推理优化。它通过算子融合、内存优化、数值加速等技术,提高推理计算的效率。算子融合通过将多个小算子合并为一个大算子,减少内存访问和数据移动,提高计算密度。内存优化通过重用中间结果、减少拷贝、及时释放无用内存等方式,降低内存占用和延迟。数值加速通过低精度计算、Tensor Core等专用硬件,加速矩阵乘等关键运算。推理优化与硬件和底层库紧密相关,需要深入理解模型的计算图和硬件特性。

Efficient Serving模式为大模型推理服务提供了一套完整的优化方案,使得大模型能够在实际应用中高效地运行。它综合考虑了模型体积、计算量、内存占用、数值精度等因素,在算法、硬件、工程等多个层面进行协同优化。同时,高效服务也是大模型应用走向产业化的关键一环,直接影响服务的成本、性能和用户体验。

在探讨大模型应用架构的过程中,我从多个维度对其进行了剖析和思考。从Pipeline模式到Federated Learning模式,从Continuous Learning模式到Interactive Learning模式,每一种模式都代表了一类应用场景下的典型技术架构特点和设计思路。这些模式或聚焦于任务组织和调度,或关注模型的训练和更新,或强调人机交互和知识融合,从不同的角度揭示了大模型应用的内在规律和设计原则。

通过梳理这些架构模式,我们可以看到,大模型应用的架构设计是一个多目标优化的过程,需要在性能、可扩展性、可解释性、安全性、交互性等多个维度之间进行权衡。同时,大模型应用的架构也是一个不断演进的过程,需要根据技术的发展和应用的需求,动态调整和优化。

总的来说,上面提出的这些大模型应用架构模式,为我们理解和设计大模型应用提供了一个全面的视角和系统的思路。它们既是对已有实践经验的总结提炼,也是对未来发展方向的探索和展望。在此基础上,我们将在下一部分对大模型应用解决方案的典型模式进行进一步的总结和归纳,以期为大模型应用的实践者们提供更加具体和可操作的指导。

三、基于解决方案的大模型应用模式
大模型的实际应用需要与具体的业务场景和技术生态相结合。本节我们从解决方案的角度,总结了几种典型的大模型应用模式。这些模式在架构设计、模块划分、通信方式等方面进行了不同的选择和权衡,以适应不同的应用需求和技术约束。

1. 插件化的大模型应用模式
插件化的应用模式强调大模型与外部插件的松耦合集成。在这种模式下,大模型通常只负责核心的语言理解和生成任务,而将特定领域或功能的处理委托给外部插件。这些插件可以是领域知识库、检索引擎、计算模块、可视化工具等,它们通过标准化的接口与大模型进行交互和数据交换。

这种模式的优点是可以灵活地扩展和定制大模型的能力,而无需修改大模型本身。不同的插件可以独立开发和部署,并根据需要动态加载和卸载。插件化的模式适用于需要快速适应变化和支持个性化需求的场景,如智能助理、开放域问答等。

2. 模块化的大模型应用模式
模块化的应用模式将大模型划分为多个功能模块,每个模块负责一类相对独立的子任务,如语义理解、对话管理、知识检索、文本生成等。这些模块之间通过明确定义的接口进行通信和数据传递,协同完成整个任务的处理。

这种模式的优点是可以对任务流程进行精细的控制和优化,不同模块可以采用不同的技术方案和实现方式,提高了灵活性。同时,通过清晰的模块边界和接口定义,也便于团队协作和代码维护。模块化的模式适用于任务复杂、流程固定、需要精细控制的场景,如对话管理、任务规划等。

3. 微服务化的大模型应用模式
微服务化的应用模式借鉴了软件工程领域的微服务架构思想。在这种模式下,大模型被封装为一个独立的服务,通过API接口对外提供服务。与大模型服务并列的,是其他AI模型服务、数据服务、业务逻辑服务等。这些服务之间通过轻量级的通信协议(如HTTP/REST、gRPC等)进行互操作。

这种模式的优点是服务之间松耦合,可以独立开发、部署、扩缩容,提高了系统的弹性和鲁棒性。不同的服务可以采用不同的技术栈,充分利用已有的工具和组件。微服务化的模式适用于需要集成多个AI模型和外部系统的复杂场景,如智能客服、数据分析平台等。

4. 代理化的大模型应用模式
代理化的应用模式引入一个专门的代理模块,作为外部请求访问大模型的统一入口。代理模块负责请求的验权、流控、负载均衡、安全防护等,并将请求转发给后端的大模型服务。在返回响应时,代理模块也可以进行必要的数据脱敏、格式转换等处理。

这种模式的优点是将业务无关的通用功能下沉到代理层,简化了大模型服务的实现。代理模块与大模型服务解耦,可以灵活配置和动态调整策略,而不需要修改大模型服务的代码。代理化的模式适用于需要统一管控流量和策略的场景,如面向公网提供服务的在线平台、API开放平台等。

5. 数据流式的大模型应用模式
数据流式的应用模式将数据流作为组织和驱动应用的核心。在这种模式下,大模型被划分为数据处理流程中的不同阶段,如数据清洗、特征提取、语义理解、知识融合、文本生成等。这些阶段通过数据流水线进行串联,数据在流水线中流转和处理,最终产出结果。

这种模式的优点是可以充分发挥数据并行和流水线并行的优势,提高数据处理的效率。通过将任务划分为多个数据处理阶段,每个阶段可以采用不同的大模型和算法,灵活应对不同的数据特征和处理需求。数据流式的模式适用于数据密集型和实时计算的场景,如流式数据分析、在线学习等。

6. 智能体化的大模型应用模式
智能体化的应用模式将大模型包装为一个自主智能体,赋予其感知、决策、行动等能力。在这种模式下,大模型不仅仅是一个语言理解和生成的工具,而是一个具有目标、状态、策略的智能实体。智能体可以主动获取和分析环境信息,根据自身知识和策略进行推理和决策,并通过自然语言或其他方式与外界进行交互。

这种模式的优点是可以实现更加自主和智能的行为,使大模型在开放环境中具备持续学习、主动探索、适应变化的能力。通过引入强化学习、因果推理、元学习等技术,智能体可以在与环境的交互中不断优化自身的知识和策略,展现出类人的智能。智能体化的模式适用于需要大模型进行自主决策和长期优化的场景,如智能对话、任务规划、智能推荐等。

智能体化的大模型应用通常包括以下几个关键组件:

感知模块:负责接收和理解外界的信息,如用户输入、环境状态等,通过大模型的语言理解能力,将其转换为智能体可以处理的内部表示。

知识库:存储智能体积累的领域知识、常识知识、经验知识等,供决策和生成时使用。知识库可以通过大模型的预训练、持续学习、人类反馈等方式进行构建和更新。

决策模块:根据感知信息和知识库,进行推理、规划、决策,生成智能体的下一步行动。决策可以基于规则、逻辑推理、强化学习等不同的范式,大模型可以作为决策的辅助工具,提供必要的语义理解和生成能力。

执行模块:根据决策结果,采取相应的行动,如生成回复、执行任务、调用外部API等。大模型在这里主要负责自然语言的生成,将智能体的决策转换为人类可读的形式。

反馈模块:接收环境和用户的反馈,评估执行效果,并将其用于优化智能体的知识和策略。通过持续的交互学习,智能体可以不断适应新的场景和需求。

智能体化的大模型应用模式代表了一种更加通用和开放的应用范式。它突破了传统的"模型即应用"的思路,将大模型视为构建智能系统的核心组件和使能技术。通过将大模型与其他AI技术和系统进行整合,并赋予其自主学习和决策的能力,智能体化的应用有望实现更加智能、灵活、可持续优化的系统,为未来的人机协作和智能自动化开辟新的道路。

当然,智能体化的大模型应用也面临着一些挑战,如智能体的可解释性、可控性、安全性等。如何设计透明可信的智能体,如何平衡智能体的自主性和人类的控制权,如何避免智能体产生意外或有害的行为,都是需要深入研究和慎重对待的问题。这需要从技术、伦理、法律等多个维度进行综合考虑和设计。

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以上六种大模型应用模式,从不同角度展示了大模型技术在实际应用中的多样性和灵活性。从插件化、模块化、微服务化到代理化、数据流式、智能体化,每一种模式都有其独特的优势和适用场景。现实中的应用往往需要根据自身的业务特点、技术栈、团队能力等因素,对这些模式进行选择、组合和调整。同时,随着大模型技术的不断发展和成熟,未来也可能出现新的应用模式和范式。对大模型应用模式的持续探索和创新,将为人工智能技术在各个领域的应用带来更多可能性和价值。

四、总结与展望
大模型是人工智能领域的重要突破,其强大的语言理解和生成能力正在推动各行各业的智能化转型。然而,大模型的应用开发并非易事,需要在模型选择、数据处理、系统架构、部署运维等多个方面进行系统设计和工程实践。本文从架构的角度,提出了面向技术的架构模式和面向解决方案的各类型大模型应用的架构模式,为大模型应用的开发和实现提供了参考。

1. 基于架构特点的大模型应用模式划分的意义
从技术视角出发,梳理大模型应用的架构模式,有利于理清大模型应用的系统结构和对接适配的模式,明确不同模块和组件的职责边界,减少复杂度。这些架构模式为大模型应用的开发和实现提供了参考框架,开发者可以根据自身的需求和条件,选择适合的模式进行实践,避免从零开始的重复造轮子。对于技术人员来说,架构模式也为理解和评估不同大模型应用案例提供了一个视角,通过分析案例采用的架构模式,可以快速把握其技术特点和优劣势。

我将技术架构模式和应用模式分别总结为两个表格,包括模式类别、优缺点、适用场景和典型举例。

技术架构模式:

模式类别优点缺点适用场景典型举例
Pipeline模式结构清晰,任务解耦,便于并行优化端到端延迟高,错误传播,调试困难任务流程明确,可分解为多个有序步骤机器翻译、语音识别等多阶段任务
Plugins模式功能解耦,易于扩展,支持独立开发插件管理复杂,接口定义成本高需频繁扩展新功能,支持定制化需求对话系统、知识图谱问答等可扩展系统
Middleware模式降低耦合,提高复用,便于集成引入额外延迟,增加维护成本大规模分布式系统,需集成多个第三方服务推荐系统、金融风控等多组件系统
Workflow模式灵活编排,可视化界面,任务编排与执行解耦引擎开销大,调试困难,不适合复杂任务任务流程动态多变,需要灵活控制流数据处理ETL,机器学习Pipeline等
Federated Learning模式数据隐私保护,利用分布式数据,模型全局聚合通信开销大,容易受数据分布不平衡影响数据分散在多方,无法直接共享原始数据医疗影像模型训练、金融风险预测等
Continuous Learning模式模型持续进化,自动学习新知识,避免灾难遗忘需平衡新旧知识,控制资源增长,难以评估数据持续产生,环境不断变化,知识需持续积累个性化推荐、智能助手、自动驾驶等
Multimodal Learning模式融合多模态信息,相互补充,提高准确性对齐困难,信息冗余,计算开销大多种类型输入数据,需语义对齐和融合图像描述、视频问答、语音识别等
Knowledge Grounded模式利用丰富外部知识,强化常识理解和逻辑推理能力知识筛选困难,噪音多,易引起幻觉需要大量背景知识,如问答、对话、论文生成等开放域问答、科研助手、金融分析助手等
Interactive Learning模式从反馈中学习,不断改进,人机协同样本效率低,反馈成本高,探索策略难设计需要人机交互,如智能对话、机器人控制等个性化教育助手、工业机器人操作等
Prompt Engineering模式自然语言描述任务,简化人机交互,提高泛化能力对prompt质量依赖大,设计需要专业知识期望模型具有零样本学习能力,完成复杂任务通用聊天机器人、智能写作助手等
Efficient Serving模式减少资源开销,降低延迟,提高并发量牺牲精度,工程复杂度高需要实时在线服务,资源受限移动端部署,边缘计算,广告召回等
应用模式:

模式类别优点缺点适用场景典型举例
插件化的大模型应用模式功能灵活组合,开发便捷,生态活跃插件质量参差不齐,兼容性问题,集成复杂大模型围绕特定领域快速实现和迭代 LangChain,ChatGPT插件等
模块化的大模型应用模式关注点分离,替换方便,多粒度复用割裂感,通用和专用部分难平衡,设计成本高大模型构建标准化流程,快速迁移和复用 Hugging Face Transformers,Nvidia NeMo等
微服务化的大模型应用模式独立部署,易于集成,支持不同语言通信开销,数据一致性,运维复杂大模型供多个应用使用,需要兼容不同框架 Triton Inference Server,TensorFlow Serving等
代理化的大模型应用模式隔离变化,代理功能丰富,易于管理引入延迟,代理开发成本大模型访问管理,需要控制流量、权限、计费等 Prompt Server,API网关等
数据流式的大模型应用模式数据驱动,步骤清晰,可分布式处理不适合复杂控制流,调试困难大模型数据处理管道,数据量大,格式多样 TensorFlow Extended,Kubeflow等
智能体化的大模型应用模式目标导向,自主决策,持续学习可解释性差,难以控制,安全性隐患大模型作为智能体,完成开放式任务 AutoGPT,Anthropic Claude等
这两个表格分别从技术架构和应用场景的角度,对大模型的常见模式进行了归纳总结。由于大模型技术仍在快速发展,新的模式和范式不断涌现,因此这个总结并不完全穷尽。此外,模式的优缺点分析也不能一概而论,需要根据实际情况权衡取舍。

在实践中,这些模式往往不是孤立使用的,而是需要根据任务需求灵活组合。比如可以用Prompt Engineering模式设计任务描述,用Plugins模式扩展技能,用Federated Learning模式训练模型,用Middleware模式封装服务,用Efficient Serving模式优化推理,用Agent模式实现自主任务规划和执行。

希望这两个表格能为从事大模型应用开发的读者提供一个全景式的视角,帮助大家理清技术路线,为架构设计提供参考。同时也希望这个总结

2. 未来的发展方向和建议
展望未来,大模型应用的架构模式还有很大的探索空间。一方面,随着大模型技术的发展,在知识表示、推理决策、持续学习等方面取得新的突破,需要在架构层面给予新的支持。另一方面,架构模式的丰富,也为大模型应用开辟了更多的可能性,催生出更多创新的玩法。对此,在此类工作上我有以下几点建议:

其一,继续丰富和细化大模型应用的架构模式。可以在更细粒度上划分应用的功能模块,加入更多与具体技术和场景相关的考量,形成更加完备的架构参考。其二,加强不同架构模式间的比较研究和最佳实践总结。通过理论分析和实证实验,评估不同模式在性能、成本、可靠性、可维护性等方面的优劣,给出明确的选择指导。其三,深入探索架构模式与具体实现技术的映射关系,如计算框架、存储引擎、通信协议等,形成从概念架构到落地实现的完整方法论。其四,以架构模式为基础,建立大模型应用的评测基准,从应用需求、开发效率、运行性能等多个维度,验证架构模式的效果,持续迭代优化。其五,紧跟前沿技术的发展,及时吸收新的架构理念和实现手段,探索支持大模型应用的新架构可能性,如联邦学习、隐私计算、安全多方计算等。

大模型应用正处在快速发展的早期阶段,其架构模式和最佳实践还在不断探索完善之中。我们应该相信,通过产学研用各界的共同努力,大模型应用必将在架构设计和工程实践上取得更大的突破,为人工智能落地带来更多可能性,让智能技术更好地造福人类社会。

xiejin77 · 发表于 2024-3-26 09:36:21

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[信息技术] 大模型技术架构与应用模式的辨析

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