从 0 搭建 LLM 不再难！这个 PyTorch 项目帮你吃透大模型底层逻辑

原创

fangpin

发布于 2025-11-17 22:30:48

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如果你曾想深入理解大语言模型（LLM）的 “五脏六腑”，却被框架封装的黑盒接口、复杂的源码结构劝退；如果你希望亲手实现 Transformer 的每一个组件，而非单纯调用transformers库 —— 那么今天推荐的这个开源项目，绝对能成为你的 LLM 学习 “脚手架”。

它就是 GitHub 上的 llm-from-scratch（项目地址），一个基于 PyTorch、专为教育设计的 “全手工” LLM 实现方案。从注意力机制到优化器，从 Tokenizer 到训练脚本，所有代码都模块化、易读且无过度封装，帮你真正 “拨开迷雾见本质”。

一、项目定位：不止是代码，更是 LLM 学习手册

不同于工业级 LLM 项目追求性能优化，llm-from-scratch的核心目标是 **“教学导向”**：让学习者能一步步看到 LLM 的构建过程，理解每个组件的作用与原理。

项目作者用 PyTorch 从零实现了现代解码器 - only Transformer（类似 GPT 架构）的完整生态，小到Softmax函数，大到训练全流程，每一行代码都为 “易懂” 服务。无论是 AI 入门者想打牢基础，还是资深开发者想复盘 LLM 底层逻辑，都能从这个项目中获益。

二、核心特色：6 大亮点，解决 LLM 学习痛点

1. 真正 “从 0 实现”：拒绝黑盒，吃透底层

项目最核心的优势是无依赖式组件开发—— 没有直接调用 PyTorch 原生的nn.MultiHeadAttention或nn.LayerNorm，而是自己手写了每一个核心模块：

从ScaledDotProductAttention（缩放点积注意力）到MultiHeadAttention（多头注意力），能清晰看到 “注意力分数计算→掩码→softmax→加权求和” 的完整流程；
从RmsNorm（RMS 归一化）到FFN（前馈网络），甚至Linear层、Softmax函数、CrossEntropyLoss损失函数，都有独立实现代码，帮你理解数值计算细节。

比如在llm/transformer.py中，ScaledDotProductAttention的代码直接展示了 “QK^T 缩放→掩码→softmax→与 V 相乘” 的步骤，注释清晰，新手也能看懂注意力机制的本质。

2. 现代架构：对齐 SOTA LLM 技术

项目没有停留在 “基础 Transformer” 层面，而是集成了当前主流 LLM 的关键技术，让你学到的不仅是 “过时知识”，更是工业界实践方案：

RMSNorm：替代传统 LayerNorm，计算更高效、训练更稳定（无需计算均值，仅需 Root Mean Square）；
SwiGLU 激活函数：在 FFN 层中使用，比 ReLU、GELU 更能提升模型表达能力（通过门控机制动态调整输出）；
RoPE（旋转位置编码）：摒弃固定 positional embedding，通过旋转 Q/K 向量注入位置信息，更适合长序列处理；
自定义 BPE Tokenizer：在llm/bpe_tokenizer.py中从零实现 Byte Pair Encoding，支持在任意文本语料上训练，还能自定义特殊 token（如<|endoftext|>）。

3. 全流程工具链：从训练到生成，一站式覆盖

学会组件实现只是第一步，LLM 的完整链路还包括数据处理、训练、推理 —— 这些项目都帮你准备好了：

数据准备：提供脚本下载常用训练语料（如 TinyStories、OWT 样本集），并支持将文本转为内存映射的 numpy 数组（高效加载大数据）；
训练脚本（llm/training.py）：包含数据加载、训练循环、验证、 checkpoint 保存 / 加载，甚至支持梯度裁剪，新手也能快速启动训练；
生成脚本（llm/generating.py）：基于训练好的模型，支持 top-p 采样生成文本，可直接测试模型效果；
优化器工具：自定义实现AdamW（带权重衰减的 Adam）和SGDDecay（带学习率衰减的 SGD），还配套余弦学习率调度器（带 warmup），覆盖 LLM 训练常用优化策略。

4. 严苛测试：确保代码正确性，放心学习

为了避免 “学错知识”，项目配备了全面的测试套件：

基于pytest和快照测试，验证每个模块的输出是否符合预期（如注意力机制的输出是否与参考实现一致）；
覆盖范围广：包括 Transformer 组件、BPE Tokenizer 的编码 / 解码 / 训练过程、优化器的梯度更新逻辑等；
新手可通过阅读测试用例，反向理解 “正确的组件应该满足什么条件”（比如 Tokenizer 编码后再解码，需能还原原始文本）。

5. 中文友好：文档与注释无语言障碍

项目提供README_cn.md中文文档，关键代码也有清晰注释，国内开发者无需再为 “看英文文档查词典” 烦恼。无论是环境配置、使用步骤还是组件说明，中文文档都讲得明明白白，降低上手门槛。

6. 模块化结构：按需学习，灵活扩展

项目目录设计清晰，每个功能模块独立成文件，方便按需查阅：

llm/

├── transformer.py  # 核心Transformer组件（模型、注意力、FFN等）

├── bpe\_tokenizer.py  # BPE Tokenizer实现

├── training.py     # 训练脚本

├── generating.py   # 文本生成脚本

├── checkpoint.py   # 模型 checkpoint 工具

└── ...

比如你只想学 RoPE 的实现，直接看transformer.py中的RoPE类即可；想了解 BPE 原理，重点读bpe_tokenizer.py就行，无需在海量代码中 “找线索”。

三、快速上手：4 步跑通 LLM 训练与生成

看完特色，是不是想立刻动手试试？项目的使用流程非常简洁，即使是新手，跟着步骤也能快速启动。

1. 环境准备

首先克隆项目，并安装依赖（项目用uv管理依赖，比pip更高效）：

\# 克隆项目

git clone https://github.com/fangpin/llm-from-scratch.git

cd llm-from-scratch

\# 安装依赖（需先安装uv：https://docs.astral.sh/uv/getting-started/installation/）

uv sync

2. 准备训练数据

项目支持主流公开语料，直接用脚本下载即可（以 TinyStories 和 OWT 样本集为例）：

\# 创建数据目录

mkdir -p data

cd data

\# 下载TinyStories（适合小模型快速验证）

wget https://huggingface.co/datasets/roneneldan/TinyStories/resolve/main/TinyStoriesV2-GPT4-train.txt

wget https://huggingface.co/datasets/roneneldan/TinyStories/resolve/main/TinyStoriesV2-GPT4-valid.txt

\# 下载OWT样本集（更大的通用语料）

wget https://huggingface.co/datasets/stanford-cs336/owt-sample/resolve/main/owt\_train.txt.gz

gunzip owt\_train.txt.gz

wget https://huggingface.co/datasets/stanford-cs336/owt-sample/resolve/main/owt\_valid.txt.gz

gunzip owt\_valid.txt.gz

\# 返回项目根目录

cd ..

如果用自己的语料，只需将多个文本文件用<|endoftext|>拼接（作为文本分隔符）即可。