feat(gemma): initial implementation of Gemma model and configs

- Add core Gemma model (architecture, attention, GeGLU, RoPE, RMSNorm, etc)
- Add configs for training and generation: gemma_train.json, gemma_generate.json
- Add Gemma notebook for exploratory analysis and demonstration
- Add __init__.py for Gemma submodule
- Update run_llm_experiment.py to support Gemma experiment configs

test(gemma): add comprehensive unit tests for Gemma

- Test forward pass (with/without cache)
- Test autoregressive generation (greedy, top-k, top-p)
- Test shape correctness and max sequence length errors
- Test multi-layer stack and token embeddings

docs: add documentation notebook for Gemma usage and analysis

Closes: #issue (if applicable)

experiments/llm_only/configs/gemma_generate.json

@@ -0,0 +1,19 @@
+{
+    "bpe_tokenizer": "checkpoints/bpe_tokenizer.json",
+    "test_prompts": [
+      "Open weights",
+      "The Llama model is",
+      "Efficient transformers"
+    ],
+    "model_config_path": "checkpoints/gemma-bpe/config.json",
+    "model_weights": "checkpoints/gemma-bpe/model.pt",
+    "generation": {
+      "max_new_tokens": 40,
+      "temperature": 0.8,
+      "do_sample": true,
+      "top_k": null,
+      "top_p": null
+    },
+    "log_path": "checkpoints/gemma_only_generation_logs.json"
+  }
+  

experiments/llm_only/configs/gemma_train.json

@@ -0,0 +1,28 @@
+{
+    "bpe_tokenizer": "checkpoints/bpe_tokenizer.json",
+    "bpe_vocab_size": 1000,
+    "bpe_special_tokens": ["<pad>", "<unk>", "<bos>", "<eos>"],
+    "test_prompts": ["Open source AI", "What is Llama?"],
+    "model_config": {
+      "vocab_size": null,
+      "embed_dim": 256,
+      "num_q_heads": 4,
+      "num_kv_heads": 2,
+      "head_size": 64,
+      "num_layers": 4,
+      "max_position_embeddings": 512,
+      "num_experts": 8,
+      "top_k_experts": 2,
+      "window_size": 16,
+      "dropout": 0.1
+    },
+    "model_weights": "checkpoints/gemma-bpe/model.pt",
+    "model_config_path": "checkpoints/gemma-bpe/config.json",
+    "training": {
+      "learning_rate": 0.0003,
+      "batch_size": 2,
+      "num_epochs": 3,
+      "warmup_steps": 50
+    },
+    "log_path": "checkpoints/gemma_only_training_logs.json"
+  }

experiments/llm_only/run_llm_experiment.py

@@ -48,6 +48,9 @@ def load_model_class(model_name):
     elif model_name.lower() == 'mixtral':
         from llm.models.mixtral import Mixtral
         return Mixtral
+    elif model_name.lower() == 'gemma':
+        from llm.models.gemma import Gemma
+        return Gemma
     else:
         raise ValueError(f"Модель '{model_name}' не поддерживается.")
 

llm/src/llm/models/gemma/__init__.py

@@ -0,0 +1,3 @@
+from .gemma import Gemma
+
+__all__ = ["Gemma"]

llm/src/llm/models/gemma/gemma.py

@@ -0,0 +1,452 @@
+import torch
+import math
+from torch import nn
+from torch import Tensor
+import torch.nn.functional as F
+from math import sqrt
+from llm.core.base_model import BaseModel
+
+    
+class RMSNorm(nn.Module):
+    def __init__(self, dim: int, eps: float = 1e-6):
+        super().__init__()
+        self._eps = eps
+        self._w = nn.Parameter(torch.ones(dim))
+    
+    def forward(self, x: torch.Tensor): # [batch_size × seq_len × emb_size]
+        rms = (x.pow(2).mean(-1, keepdim=True) + self._eps) ** 0.5
+        norm_x = x / rms
+        return self._w * norm_x
+
+class TokenEmbeddings(nn.Module):
+    def __init__(self, vocab_size: int, emb_size: int):
+        super().__init__()
+        self._embedding = nn.Embedding(
+            num_embeddings=vocab_size,
+            embedding_dim=emb_size
+        )
+
+    def forward(self, x: Tensor) -> Tensor:
+        return self._embedding(x)
+
+    @property
+    def num_embeddings(self) -> int:
+        return self._embedding.num_embeddings
+
+    @property
+    def embedding_dim(self) -> int:
+        return self._embedding.embedding_dim
+
+
+class GELU(nn.Module):
+    def __init__(self):
+        super().__init__()
+        self.sqrt_2_over_pi = torch.sqrt(torch.tensor(2.0) / math.pi)
+    
+    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
+        return 0.5 * x * (1 + torch.tanh(
+            self.sqrt_2_over_pi * (x + 0.044715 * torch.pow(x, 3))
+        ))
+
+class GeGLU(nn.Module):
+    def __init__(self, emb_size: int, dropout: float = 0.1):
+        super().__init__()
+
+        self._gate = nn.Linear(emb_size, 4 * emb_size)
+        self._up = nn.Linear(emb_size, 4 * emb_size)
+        self._down = nn.Linear(4 * emb_size, emb_size)
+        self._activation = GELU()
+        self._dropout = nn.Dropout(dropout)
+
+    def forward(self, x: torch.Tensor): # [batch_size × seq_len × emb_size].
+        gate_out = self._gate(x)                          # [batch, seq, 4*emb]
+        activation_out = self._activation(gate_out)       # [batch, seq, 4*emb]
+        up_out = self._up(x)                              # [batch, seq, 4*emb]
+        out = up_out * activation_out                     # поэлементное!
+        out = self._down(out)                             # [batch, seq, emb]
+        return self._dropout(out)
+
+
+import torch
+from torch import nn
+from typing import Optional
+
+
+class RoPE(nn.Module):
+
+    def __init__(self, head_size: int, max_seq_len: int, base: int = 10_000):
+        super().__init__()
+        assert head_size % 2 == 0, "head_size должен быть четным"
+
+        # Вычисление частот: θ_i = base^(-2i/d) для i ∈ [0, d/2-1]
+        freqs = 1.0 / (base ** (2 * torch.arange(head_size // 2).float() / head_size))
+
+        # Позиции от 0 до max_seq_len-1
+        positions = torch.arange(max_seq_len).float()
+
+        # Внешнее произведение: m * θ_i для всех позиций и частот
+        freq_matrix = positions.unsqueeze(1) * freqs.unsqueeze(0)
+
+        # Предвычисление матриц косинусов и синусов
+        self.register_buffer("cos_matrix", torch.cos(freq_matrix))
+        self.register_buffer("sin_matrix", torch.sin(freq_matrix))
+
+    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor: # [batch_size × seq_len × head_size] [batch_size × num_heads × seq_len × head_size]
+        batch_size, num_heads, seq_len, head_size = x.shape
+
+        # Берем нужную часть матриц и приводим к типу x
+        cos = self.cos_matrix[:seq_len].to(x.dtype)  # [seq_len, head_size//2]
+        sin = self.sin_matrix[:seq_len].to(x.dtype)  # [seq_len, head_size//2]
+
+        # Явное изменение формы для broadcasting
+        cos = cos.reshape(1, 1, seq_len, head_size // 2)
+        sin = sin.reshape(1, 1, seq_len, head_size // 2)
+
+        # Разделяем на четные и нечетные компоненты по ПОСЛЕДНЕМУ измерению
+        x_even = x[..., 0::2]  # [batch_size, num_heads, seq_len, head_size//2]
+        x_odd = x[..., 1::2]   # [batch_size, num_heads, seq_len, head_size//2]
+
+        # Применяем поворот: q' = q * cos(mθ) + rotate(q) * sin(mθ)
+        x_rotated_even = x_even * cos - x_odd * sin
+        x_rotated_odd = x_even * sin + x_odd * cos
+
+        # Объединяем обратно в исходную размерность
+        x_rotated = torch.stack([x_rotated_even, x_rotated_odd], dim=-1)
+        x_rotated = x_rotated.flatten(-2)  # [batch_size, seq_len, head_size]
+
+        return x_rotated
+
+import torch
+from torch import nn
+import torch.nn.functional as F
+
+class MultiQueryAttention(nn.Module):
+    def __init__(
+        self,
+        num_q_heads: int,
+        emb_size: int,
+        head_size: int,
+        max_seq_len: int,
+        rope: RoPE = None,
+        dropout: float = 0.1,
+    ):
+        super().__init__()
+        self._num_q_heads = num_q_heads
+        self._head_size = head_size
+        self._max_seq_len = max_seq_len
+        self._rope = rope
+        
+        self._q = nn.Linear(emb_size, num_q_heads * head_size)
+        self._k = nn.Linear(emb_size,  head_size)
+        self._v = nn.Linear(emb_size,  head_size)
+
+        # Создание causal маски
+        mask = torch.tril(torch.ones(max_seq_len, max_seq_len))
+        self.register_buffer(
+            "_tril_mask", mask.bool() if hasattr(torch, "bool") else mask.byte()
+        )
+        
+        self._layer = nn.Linear(num_q_heads * head_size, emb_size)
+        self._dropout = nn.Dropout(dropout)
+
+    def forward(
+        self,
+        x: torch.Tensor,
+        mask: torch.Tensor = None,
+        use_cache: bool = True,
+        cache: list = None,
+    ):
+        batch_size, seq_len, emb_size = x.shape
+        if seq_len > self._max_seq_len:
+            raise ValueError(
+                f"Длина последовательности {seq_len} превышает максимум {self._max_seq_len}"
+            )
+
+        # Пропустите тензор x через матрицы Wq, Wk , Wv, чтобы получить матрицы запроса, ключа и значения.
+        k = self._k(x)  # [B, T, hs]
+        q = self._q(x)  # [B, T, hs]
+        v = self._v(x)  # [B, T, hs]
+
+        # Шаг 2: Изменение формы для multi-head
+        # [batch_size, seq_len, num_heads * head_size] 
+        # -> [batch_size, seq_len, num_heads, head_size]
+        q = q.reshape(batch_size, seq_len, self._num_q_heads, self._head_size)
+        k = k.reshape(batch_size, seq_len, 1, self._head_size)
+        v = v.reshape(batch_size, seq_len, 1, self._head_size)
+
+        # 3. Transpose: [B, T, H, hs] -> [B, H, T, hs]
+        q = q.transpose(1, 2)
+        k = k.transpose(1, 2)
+        v = v.transpose(1, 2)
+
+        # Пропустите матрицы запроса и ключа через экземпляр rope, чтобы выполнить поворот.
+        if self._rope is not None:
+            # Применяем RoPE к Q и K (НЕ к V!)
+            q = self._rope(q)  # [B, T, hs]
+            k = self._rope(k)  # [B, T, hs]
+
+
+        # Если cache пришел, то объединяем кэш и одну строку из ключа и значения. Это будут новые key и value  для последующих вычислений.
+        # 5. Кэширование (для autoregressive generation)
+        if cache is not None:
+            k_cache, v_cache = cache
+            k = torch.cat([k_cache, k], dim=2)  # Concat по seq_len (dim=2)
+            v = torch.cat([v_cache, v], dim=2)
+
+
+        # Перемножим матрицы запроса и ключа (транспонированную), чтобы вычислить матрицу внимания.
+        # И разделить все значения в матрице внимания на корень из head_size.
+        scores = q @ k.transpose(-2, -1) / (self._head_size ** 0.5)
+
+        # Если cache пришел, то маску не накладываем. Иначе наложите на матрицу внимания треугольную маску, созданную при инициализации. Все скрытые значения должны быть приведены к минус бесконечности: float('-inf').
+        if cache is None:
+            scores = scores.masked_fill(
+                ~self._tril_mask[:seq_len, :seq_len], float("-inf")
+            )
+
+        # Применить к матрице внимания (построчно) функцию Softmax.
+        weights = F.softmax(scores, dim=-1)
+
+        # Перемножим матрицу внимания и матрицу значения.
+        x_out = weights @ v  # [B, T, hs]
+
+
+        # Измените форму тензора на batch_size × seq_len × num_heads*head_size.
+        # Transpose обратно и concatenate heads
+        x_out = x_out.transpose(1, 2)  # [B, T_q, H, hs]
+        x_out = x_out.contiguous()  # Важно для reshape!
+        concatenated_attention = x_out.reshape(batch_size, seq_len, self._num_q_heads * self._head_size)
+
+
+        # Пропустите получившийся тензор через последний линейный слой.
+        # 3. Проецируем в пространство эмбеддингов
+        projected_output = self._layer(concatenated_attention)
+
+
+        # 4. Применяем dropout для регуляризации
+        final_output = self._dropout(projected_output)
+
+        if use_cache is True:
+            return (final_output, (k, v))
+        else:
+            return (final_output, None)
+
+
+class Decoder(nn.Module):
+    def __init__(self, 
+        num_q_heads: int,
+        emb_size: int,
+        head_size: int,
+        max_seq_len: int,
+        rope: RoPE,
+        dropout: float = 0.1
+    ):
+        super().__init__()
+        self._heads = MultiQueryAttention(
+            num_q_heads=num_q_heads, 
+            emb_size=emb_size, 
+            head_size=head_size, 
+            max_seq_len=max_seq_len,
+            rope=rope,
+            dropout=dropout
+        )
+        self._ff = GeGLU(emb_size=emb_size, dropout=dropout)
+        self._norm1 = RMSNorm(emb_size)
+        self._norm2 = RMSNorm(emb_size)
+
+    def forward(self, x: torch.Tensor, mask: torch.Tensor = None, use_cache: bool = True, cache: list = None) -> torch.Tensor:
+        norm1_out = self._norm1(x)
+        attention, kv_caches = self._heads(norm1_out, mask, use_cache=use_cache, cache=cache)
+        out = attention + x
+        
+        norm2_out = self._norm2(out)
+        ffn_out = self._ff(norm2_out)
+
+        if use_cache is True:
+            return (ffn_out + out, kv_caches)
+        else:
+            return (ffn_out + out, None)
+
+
+
+from torch import nn
+import torch
+import torch.nn.functional as F
+
+class Gemma(BaseModel):
+    def __init__(self, config):
+        super().__init__(config)
+
+        self._max_seq_len = config["max_position_embeddings"]
+
+        # Инициализация слоев
+        self._token_embeddings = TokenEmbeddings(
+            vocab_size=config["vocab_size"], 
+            emb_size=config["embed_dim"]
+        )
+        self._position_embeddings = RoPE(
+            head_size=config["embed_dim"] // config["num_q_heads"],
+            max_seq_len=config["max_position_embeddings"]
+        )
+        #self._position_embeddings = PositionalEmbeddings(
+        #    max_seq_len=max_seq_len, 
+        #    emb_size=emb_size
+        #)
+        self._dropout = nn.Dropout(config["dropout"])
+        self._decoders = nn.ModuleList([Decoder(
+            num_q_heads=config["num_q_heads"],
+            emb_size=config["embed_dim"],
+            head_size=config["embed_dim"] // config["num_q_heads"],
+            max_seq_len=config["max_position_embeddings"],
+            rope=self._position_embeddings,
+            dropout=config["dropout"]  
+        ) for _ in range(config["num_layers"])])
+        self._norm = RMSNorm(config["embed_dim"])
+        self._linear = nn.Linear(config["embed_dim"], config["vocab_size"])
+
+    def forward(self, x: torch.Tensor, use_cache: bool = True, cache: list = None) -> tuple:
+        # Проверка длины последовательности (только при отсутствии кэша)
+        if cache is None and x.size(1) > self._max_seq_len:
+            raise ValueError(f"Длина последовательности {x.size(1)} превышает максимальную {self.max_seq_len}")
+        
+        # Эмбеддинги токенов и позиций
+        tok_out = self._token_embeddings(x)  # [batch, seq_len, emb_size]
+       #pos_out = self._position_embeddings(x)  # [batch, seq_len, emb_size]
+        
+        # Комбинирование
+        out = self._dropout(tok_out)  # [batch, seq_len, emb_size]
+        
+        # Стек декодеров с передачей кэша
+        new_cache = []
+        for i, decoder in enumerate(self._decoders):
+            decoder_cache = cache[i] if cache is not None else None
+            decoder_result = decoder(out, use_cache=use_cache, cache=decoder_cache)
+
+            # Извлекаем результат из кортежа
+            if use_cache:
+                out, decoder_new_cache = decoder_result
+                new_cache.append(decoder_new_cache)
+            else:
+                out = decoder_result[0]
+
+        out = self._norm(out)
+        logits = self._linear(out)
+            
+        # Возвращаем результат с учетом use_cache
+        if use_cache:
+            return (logits, new_cache)
+        else:
+            return (logits, None)
+
+    def generate(self,
+        x: torch.Tensor, 
+        max_new_tokens: int, 
+        do_sample: bool,
+        temperature: float = 1.0,
+        top_k: int = None,
+        top_p: float = None,
+        use_cache: bool = True
+    ) -> torch.Tensor:
+
+        cache = None
+
+        for _ in range(max_new_tokens):
+            if use_cache and cache is not None:
+                # Используем кэш - передаем только последний токен
+                x_input = x[:, -1:]  # [batch_size, 1]
+            else:
+                # Первая итерация или кэш отключен - передаем всю последовательность
+                x_input = x
+            
+            # Прямой проход с кэшем
+            logits, new_cache = self.forward(x_input, use_cache=use_cache, cache=cache)
+            
+            # Обновляем кэш для следующей итерации
+            if use_cache:
+                cache = new_cache
+
+            last_logits = logits[:, -1, :]  # [batch_size, vocab_size]
+
+            # Масштабируем логиты температурой
+            if temperature > 0:
+                logits_scaled = last_logits / temperature
+            else:
+                logits_scaled = last_logits
+
+            if do_sample == True and top_k != None:
+                _, topk_indices = torch.topk(logits_scaled, top_k, dim=-1)
+
+                # # Заменим все НЕ top-k логиты на -inf
+                masked_logits = logits_scaled.clone()
+                vocab_size = logits_scaled.size(-1)
+
+                # создаём маску: 1, если токен НЕ в topk_indices
+                mask = torch.ones_like(logits_scaled, dtype=torch.bool if hasattr(torch, "bool") else torch.uint8)
+                mask.scatter_(1, topk_indices, False if hasattr(torch, "bool") else 0)  # 0 там, где top-k индексы
+                masked_logits[mask.bool() if hasattr(torch, "bool") else mask.byte()] = float('-inf')
+
+                logits_scaled = masked_logits
+
+            if do_sample == True and top_p != None:
+                # 1. Применим softmax, чтобы получить вероятности:
+                probs = F.softmax(logits_scaled, dim=-1)  # [B, vocab_size]
+                # 2. Отсортируем токены по убыванию вероятностей:
+                sorted_probs, sorted_indices = torch.sort(probs, descending=True, dim=-1)
+                # 3. Посчитаем кумулятивную сумму вероятностей:
+                cum_probs = torch.cumsum(sorted_probs, dim=-1)  # [B, vocab_size]
+                # 4. Определим маску: оставить токены, пока сумма < top_p
+                sorted_mask = (cum_probs <= top_p).bool() if hasattr(torch, "bool") else  (cum_probs <= top_p).byte()  # [B, vocab_size]
+                # Гарантируем, что хотя бы первый токен останется
+                sorted_mask[:, 0] = True if hasattr(torch, "bool") else 1
+                # 5. Преобразуем маску обратно в оригинальный порядок:
+                # Создаём полную маску из 0
+                mask = torch.zeros_like(probs, dtype=torch.bool if hasattr(torch, "bool") else torch.uint8)
+                # Устанавливаем 1 в местах нужных токенов
+                mask.scatter_(dim=1, index=sorted_indices, src=sorted_mask)
+                # 6. Зануляем логиты токенов вне топ-p:
+                logits_scaled[~mask] = float('-inf')
+
+            # 4. Применяем Softmax
+            probs = F.softmax(logits_scaled, dim=-1)  # [batch_size, vocab_size]
+
+
+            if do_sample == True:
+                # 5. Если do_sample равен True, то отбираем токен случайно с помощью torch.multinomial
+                next_token = torch.multinomial(probs, num_samples=1)  # [batch_size, 1]
+            else:
+                # 5. Если do_sample равен False, то выбираем токен с максимальной вероятностью
+                next_token = torch.argmax(probs, dim=-1, keepdim=True)  # [batch_size, 1]
+            
+            # 6. Добавляем его к последовательности
+            x = torch.cat([x, next_token], dim=1)  # [batch_size, seq_len+1]
+        return x
+
+    def save(self, path):
+        torch.save({
+            'model_state_dict': self.state_dict(),
+            'vocab_size': self._vocab_size,
+            'max_seq_len': self._max_seq_len,
+            'emb_size': self._emb_size,
+            'num_heads': self._num_heads,
+            'head_size': self._head_size,
+            'num_layers': self._num_layers
+        }, path)
+
+    @classmethod
+    def load(cls, path, device):
+        checkpoint = torch.load(path, map_location=device)
+        model = cls(
+            vocab_size=checkpoint['vocab_size'],
+            max_seq_len=checkpoint['max_seq_len'],
+            emb_size=checkpoint['emb_size'],
+            num_heads=checkpoint['num_heads'],
+            head_size=checkpoint['head_size'],
+            num_layers=checkpoint['num_layers']
+        )
+        model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
+        model.to(device)
+        return model
+
+    @property
+    def max_seq_len(self) -> int:
+        return self._max_seq_len

llm/tests/models/test_gemma.py

@@ -0,0 +1,56 @@
+# llm/tests/models/test_gemma.py
+
+import torch
+import pytest
+from llm.models.gemma.gemma import Gemma
+
+@pytest.fixture
+def config():
+    return {
+        "vocab_size": 100,
+        "embed_dim": 32,
+        "num_q_heads": 4,
+        "num_layers": 2,
+        "max_position_embeddings": 16,
+        "dropout": 0.0,
+    }
+
+@pytest.fixture
+def model(config):
+    return Gemma(config)
+
+def test_forward_basic(model):
+    x = torch.randint(0, 100, (2, 8))
+    logits, cache = model(x)
+    assert logits.shape == (2, 8, 100)
+    assert isinstance(cache, list)
+    assert len(cache) == model._decoders.__len__()
+
+def test_forward_with_cache(model):
+    x = torch.randint(0, 100, (2, 4))
+    logits, cache = model(x, use_cache=True)
+    # Второй проход с cache и одним новым токеном
+    x2 = torch.randint(0, 100, (2, 1))
+    logits2, cache2 = model(x2, use_cache=True, cache=cache)
+    assert logits2.shape == (2, 1, 100)
+    assert isinstance(cache2, list)
+
+def test_generate_and_shape(model):
+    x = torch.randint(0, 100, (1, 5))
+    result = model.generate(x, max_new_tokens=3, do_sample=False)
+    assert result.shape == (1, 8)
+
+def test_forward_sequence_too_long(model, config):
+    x = torch.randint(0, 100, (1, config["max_position_embeddings"] + 1))
+    with pytest.raises(ValueError):
+        model(x)
+
+def test_generate_with_sampling_topk(model):
+    x = torch.randint(0, 100, (1, 3))
+    out = model.generate(x, max_new_tokens=2, do_sample=True, top_k=5)
+    assert out.shape == (1, 5)
+
+def test_generate_with_sampling_topp(model):
+    x = torch.randint(0, 100, (1, 3))
+    out = model.generate(x, max_new_tokens=2, do_sample=True, top_p=0.8)
+    assert out.shape == (1, 5)