ChatGPT 是由 OpenAI 开发的顶尖 AI 模型，旨在基于人们输入的内容生成类似的人类语言，凭借其强大的语言理解和文本生成能力，一经发布就引爆全球技术圈。Wolfram 语言之父 Stephen Wolfram 更是在博客发布万字长文（上百张配图）来解释 ChatGPT 强大功能的背后。

本文借助 DeepL 对原文进行了编译，感兴趣的小伙伴也可以移步到原文：https://writings.stephenwolfram.com/2023/02/what-is-chatgpt-doing-and-why-does-it-work/

注：为保证阅读效果，本文以作者第一人称的形式进行发布。

作者 | Stephen Wolfram翻译 | DeepL 工具  校对 | 李笑来
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

ChatGPT 能够自动生成一些读起来甚至表面上像人类写的文字的东西，这很了不起，而且出乎意料。但它是如何做到的？为什么它能发挥作用？

我在这里的目的是大致介绍一下 ChatGPT 内部的情况，然后探讨一下为什么它能很好地生成我们认为是有意义的文本。我应该在一开始就说，我将把重点放在正在发生的事情的大画面上，虽然我将提到一些工程细节，但我不会深入研究它们。（我所说的实质内容也同样适用于目前其他的 “大型语言模型” LLM 和 ChatGPT）。

首先要解释的是，ChatGPT 从根本上说总是试图对它目前得到的任何文本进行 “合理的延续”，这里的 “合理” 是指 “在看到人们在数十亿个网页上所写的东西之后，人们可能会期望某人写出什么”。

因此，假设我们已经得到了 “人工智能最好的是它能去做 ……” 的文本（“The best thing about AI is its ability to”）。想象一下，扫描数十亿页的人类书写的文本（例如在网络上和数字化书籍中），并找到这个文本的所有实例 —— 然后看到什么词在接下来的时间里出现了多少。ChatGPT 有效地做了类似的事情，除了（正如我将解释的）它不看字面文本；它寻找在某种意义上 “意义相符” 的东西。但最终的结果是，它产生了一个可能出现在后面的词的排序列表，以及 “概率”。

值得注意的是，当 ChatGPT 做一些事情，比如写一篇文章时，它所做的基本上只是反复询问 “鉴于到目前为止的文本，下一个词应该是什么？” —— 而且每次都增加一个词。（更准确地说，正如我将解释的那样，它在添加一个 “标记”，这可能只是一个词的一部分，这就是为什么它有时可以 “编造新词”）。

但是，好吧，在每一步，它得到一个带有概率的单词列表。但是，它究竟应该选择哪一个来添加到它正在写的文章（或其他什么）中呢？人们可能认为它应该是 “排名最高” 的词（即被分配到最高 “概率” 的那个）。但是，这时就会有一点巫术开始悄悄出现。因为出于某种原因 —— 也许有一天我们会有一个科学式的理解 —— 如果我们总是挑选排名最高的词，我们通常会得到一篇非常 “平淡” 的文章，似乎从来没有 “显示出任何创造力”（甚至有时一字不差地重复）。但是，如果有时（随机的）我们挑选排名较低的词，我们会得到一篇 “更有趣” 的文章。

这里有随机性的事实意味着，如果我们多次使用同一个提示，我们很可能每次都得到不同的作文。而且，为了与巫术的想法保持一致，有一个特定的所谓 “温度” 参数（temperature parameter），它决定了以什么样的频率使用排名较低的词，而对于论文的生成，事实证明，0.8 的 “温度” 似乎是最好的。（值得强调的是，这里没有使用任何 “理论”；这只是一个在实践中被发现可行的问题）。例如，“温度” 的概念之所以存在，是因为恰好使用了统计物理学中熟悉的指数分布，但没有 “物理” 联系 —— 至少到目前为止我们如此认为。）

在我们继续之前，我应该解释一下，为了论述的目的，我大多不会使用 ChatGPT 中的完整系统；相反，我通常会使用更简单的 GPT-2 系统，它有一个很好的特点，即它足够小，可以在标准的台式电脑上运行。因此，对于我展示的所有内容，我将能够包括明确的沃尔弗拉姆语言（Wolfram Language）代码，你可以立即在你的计算机上运行。（点击这里的任何图片都可以复制其背后的代码 —— 译者注：请查看文墨的 “原文链接”，在其中点击图片获取代码）。

稍后，我们将看看这个神经网的内部，并谈谈它是如何工作的。但现在我们可以把这个 “网络模型” 作为一个黑匣子应用于我们迄今为止的文本，并要求按概率计算出该模型认为应该遵循的前五个词：

这就把这个结果变成了一个明确的格式化的 “数据集”：

如果重复 “应用模型” —— 在每一步中加入概率最高的词（在此代码中被指定为模型的 “决定”），会发生什么：

如果再继续下去会发生什么？在这种情况下（“零温度”），很快就会出现相当混乱和重复的情况：

但是，如果不总是挑选 “顶级” 词，而是有时随机挑选 “非顶级” 词（“随机性” 对应 “温度” 为 0.8）呢？人们又可以建立起文本：

而每次这样做，都会有不同的随机选择，文本也会不同 —— 如这 5 个例子：

值得指出的是，即使在第一步，也有很多可能的 “下一个词” 可供选择（温度为 0.8），尽管它们的概率下降得很快（是的，这个对数图上的直线对应于 n-1 的 “幂律” 衰减，这是语言的一般统计的特点）：

那么，如果继续下去会发生什么？这里有一个随机的例子。它比顶层词（零温度）的情况要好，但顶多还是有点奇怪：

这是用最简单的 GPT-2 模型（来自 2019 年）做的。用较新和较大的 GPT-3 模型，结果更好。这里是用同样的 “提示” 产生的顶部文字（零温度），但用最大的 GPT-3 模型：

这是 “温度为 0.8” 时的一个随机例子：

好吧，ChatGPT 总是根据概率来选择下一个词。但是这些概率从何而来？让我们从一个更简单的问题开始。让我们考虑一次生成一个字母（而不是单词）的英语文本。我们怎样才能算出每个字母的概率呢？

我们可以做的一个非常简单的事情就是取一个英语文本的样本，然后计算不同字母在其中出现的频率。因此，举例来说，这是计算维基百科上关于 “猫” 的文章中的字母：

而这对 “狗” 也有同样的作用：

结果相似，但不一样（“o” 在 “dogs” 文章中无疑更常见，因为毕竟它出现在 “dog” 这个词本身）。尽管如此，如果我们采取足够大的英语文本样本，我们可以期待最终得到至少是相当一致的结果。

下面是我们得到的一个样本，如果我们用这些概率生成一个字母序列：

我们可以通过添加空格将其分解为 “单词”，就像它们是具有一定概率的字母一样：

我们可以通过强迫 “字长” 的分布与英语中的分布相一致，在制造 “单词” 方面做得稍微好一点：

我们在这里没有碰巧得到任何 “实际的词”，但结果看起来稍好一些。不过，要想更进一步，我们需要做的不仅仅是随机地分别挑选每个字母。例如，我们知道，如果我们有一个 “q”，下一个字母基本上必须是 “u”。

这里有一个字母本身的概率图：

这是一个显示典型英语文本中成对字母（“2-grams”）概率的图。可能的第一个字母显示在页面上，第二个字母显示在页面下：

例如，我们在这里看到，除了 “u” 行，“q” 列是空白的（概率为零）。好了，现在我们不再是一次生成一个字母的 “单词”，而是使用这些 “2-gram” 概率，一次看两个字母来生成它们。下面是一个结果的样本 —— 其中恰好包括一些 “实际的词”：

有了足够多的英语文本，我们不仅可以对单个字母或成对字母（2-grams）的概率进行很好的估计，而且还可以对较长的字母进行估计。如果我们用逐渐变长的 n-gram 概率生成 “随机词”，我们就会发现它们逐渐变得 “更现实”：

但现在让我们假设 —— 或多或少像 ChatGPT 那样 —— 我们处理的是整个单词，而不是字母。英语中大约有 40,000 个合理的常用词。通过查看大型英语文本语料库（比如几百万本书，总共有几千亿个单词），我们可以得到每个单词的常见程度的估计。利用这一点，我们可以开始生成 “句子”，其中每个词都是独立随机抽取的，其出现的概率与语料库中的相同。下面是我们得到的一个样本：

不足为奇的是，这是一派胡言。那么，我们如何才能做得更好呢？就像对待字母一样，我们可以开始考虑的不仅仅是单个词的概率，还有成对的或更长的词的 n-grams 的概率。在成对的情况下，以下是我们得到的 5 个例子，所有情况都是从 “猫” 这个词开始的：

它变得稍微 “看起来很合理” 了。我们可以想象，如果我们能够使用足够长的 n-grams，我们基本上会 “得到一个 ChatGPT” —— 在这个意义上，我们会得到一些东西，以 “正确的总体论文概率” 生成论文长度的单词序列。但问题是：没有足够的英文文本可以推导出这些概率。

在网络的抓取中，可能有几千亿个单词；在已经数字化的书籍中，可能有另外几千亿个单词。但是有了 4 万个常用词，即使是可能的 2-grams 的数量也已经是 16 亿了，可能的 3-grams 的数量是 60 万亿。所以我们没有办法从现有的文本中估计出所有这些的概率。而当我们达到 20 个字的 “文章片段” 时，可能性的数量比宇宙中的粒子数量还要多，所以从某种意义上说，它们永远不可能全部被写下来。

那么我们能做什么呢？最大的想法是建立一个模型，让我们估计序列出现的概率 —— 即使我们在所看的文本语料库中从未明确见过这些序列。而 ChatGPT 的核心正是一个所谓的 “大型语言模型”（LLM），它的建立可以很好地估计这些概率。

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