LLM Architecture Research

Исследовательский проект по разработке, обучению и сравнительному анализу современных архитектур больших языковых моделей (LLM): GPT, GPT-2, LLaMA, Mistral. Прямая поддержка интеграции с HuggingFace (через модуль hf-proxy).

🏗️ Архитектура проекта

Проект организован как монорепозиторий с использованием uv workspace:

• llm — основная библиотека с реализацией архитектур LLM (GPT, GPT-2, LLaMA, Mistral)
• hf-proxy — экспериментальный адаптер для интеграции с HuggingFace (загрузка, токенизация, экспериментальные скрипты). Функционал может изменяться и не гарантирует полной совместимости с будущими версиями HuggingFace Transformers.
• experiments — скрипты обучения и генерации (включая HF и собственные модели)
• notebooks — исследовательские ноутбуки, анализ архитектур

📁 Структура проекта

llm-arch-research/
│
├── pyproject.toml        # корневой workspace конфиг
├── uv.lock
│
├── llm/                  # основная библиотека архитектур
│   ├── pyproject.toml
│   └── src/llm/
│       ├── core/         # базовые компоненты
│       │   ├── base_model.py
│       │   ├── cached_decoder.py    # Декодер с кэшированием
│       │   ├── decoder.py
│       │   ├── multi_head_attention.py
│       │   ├── head_attention.py
│       │   ├── feed_forward.py
│       │   ├── token_embeddings.py
│       │   ├── positional_embeddings.py
│       │   ├── rope.py              # Rotary Positional Embeddings
│       │   ├── rms_norm.py          # RMS Normalization
│       │   ├── swi_glu.py           # SwiGLU активация
│       │   ├── silu.py              # SiLU активация
│       │   └── gelu.py              # GELU активация
│       ├── models/       # Реализации моделей
│       │   ├── gpt/      # GPT и GPT-2 архитектуры
│       │   │   ├── gpt.py
│       │   │   ├── gpt2.py
│       │   │   └── __init__.py
│       │   ├── llama/    # LLaMA архитектура
│       │   │   ├── llama.py
│       │   │   └── __init__.py
│       │   └── mistral/  # Mistral архитектура
│       │       ├── mistral.py
│       │       └── __init__.py
│       ├── training/     # утилиты обучения
│       │   ├── dataset.py
│       │   ├── trainer.py
│       │   ├── optimizer.py
│       │   └── scheduler.py
│       ├── evaluation/   # оценка моделей
│       └── tokenizers/   # токенизаторы
│           ├── base_tokenizer.py
│           └── bpe_tokenizer.py
│
├── hf-proxy/             # адаптер HuggingFace
│   ├── pyproject.toml
│   └── src/hf_proxy/
│       ├── hf_config.py
│       ├── hf_adapter.py
│       ├── hf_tokenizer.py
│       └── hf_utils.py
│
├── experiments/          # скрипты обучения и экспериментов
│   ├── hf_integration/   # интеграция с HuggingFace
│   │   ├── train_with_hf_trainer.py
│   │   ├── generate_with_hf_tools.py
│   │   ├── simple_hf_training.py
│   │   └── test_hf_proxy.py
│   ├── llm_only/         # обучение без HF
│   │   ├── train_gpt_bpe.py
│   │   └── generate_gpt_bpe.py
│   └── shared/           # общие утилиты
│       ├── configs.py
│       └── data.py
│
├── checkpoints/          # сохраненные модели и токенизаторы
└── notebooks/            # исследовательские ноутбуки

🚀 Быстрый старт

Пример запуска обучения и генерации для любых архитектур:

python experiments/llm_only/run_llm_experiment.py --model mistral --action generate --config experiments/llm_only/configs/mistral_generate.json

Использование собственных моделей с HuggingFace-интерфейсом:

from hf_proxy.hf_adapter import HFAdapter
hf_model = HFAdapter("mistralai/Mistral-7B-v0.1")

Установка зависимостей

# Установка всех зависимостей workspace
uv sync

# Установка с dev-зависимостями
uv sync --extra dev

⚡ Работа с экспериментами (experiments/llm_only, experiments/hf_integration)

• В experiments/llm_only: универсальный скрипт для обучения и генерации LLM (включая LLaMA и Mistral) без HuggingFace — всё через собственную реализацию.
• В experiments/hf_integration: скрипты и примеры для генерации, обучения и тестирования моделей с помощью HuggingFace API (через hf-proxy). Позволяет использовать свои модели и токенизаторы как стандартные HF-объекты.

Для моделей Mistral/Llama доступны оба сценария: прямая работа или через HuggingFace-прокси.

Конфиги и примеры см. в соответствующих папках.

---

Тестирование hf-proxy

# Базовое тестирование интеграции
uv run python experiments/hf_integration/test_hf_proxy.py

# Генерация через HF инструменты
uv run python experiments/hf_integration/generate_with_hf_tools.py

Использование в коде

from llm.models.gpt import GPT, GPT2
from llm.tokenizers import BPETokenizer
from hf_proxy import HFAdapter, HFTokenizerAdapter

# Создание GPT модели
config = {
    "vocab_size": 50257,
    "embed_dim": 256,
    "num_heads": 4,
    "num_layers": 4,
    "max_position_embeddings": 128,
    "dropout": 0.1
}
model = GPT(config)

# Создание GPT-2 модели (пример)
gpt2_config = {
    "vocab_size": 50257,
    "embed_dim": 768,
    "num_heads": 12,
    "num_layers": 12,
    "max_position_embeddings": 1024,
    "dropout": 0.1
}
gpt2_model = GPT2(gpt2_config)

# Генерация текста
generated = model.generate(
    input_ids, 
    max_new_tokens=50, 
    do_sample=True, 
    temperature=0.7
)

# Использование с HuggingFace через hf-proxy
hf_model = HFAdapter.from_llm_model(model)
hf_tokenizer = HFTokenizerAdapter(tokenizer)

# Генерация через HF интерфейс
generated = hf_model.generate(
    input_ids=inputs['input_ids'],
    max_new_tokens=50,
    do_sample=True,
    temperature=0.7
)

🛠️ Технологический стек

• Python 3.10+ — язык программирования
• uv — современный менеджер пакетов и workspace
• PyTorch 2.8+ — фреймворк глубокого обучения
• Transformers — интеграция с HuggingFace
• Datasets — работа с данными
• TOML — конфигурационные файлы

📦 Зависимости

Корневой workspace

[project]
dependencies = ["tqdm>=4,<5"]

[project.optional-dependencies]
dev = [
    "pytest>=8.0.0",
    "black>=24.0.0", 
    "ruff>=0.3.0",
    "mypy>=1.8.0",
    "jupyter>=1.0.0",
]
test = [
    "pytest>=8.0.0",
    "pytest-cov>=4.1.0",
]

Пакет llm

[project]
dependencies = [
    "torch>=2.3.0",
    "numpy>=1.24.0",
]

Пакет hf-proxy

[project]
dependencies = [
    "torch>=2.3.0",
    "transformers>=4.44.0",
    "datasets>=2.20.0",
]

🎯 Реализованные возможности

Архитектуры

• ✅ GPT, GPT-2: Полностью воспроизводимые реализации, токенные и позиционные эмбеддинги, causal multi-head attention, LayerNorm
• ✅ LLaMA: Rotary Positional Embeddings (RoPE), RMSNorm, SwiGLU, оптимизированная память
• ✅ Mistral: Sliding Window Attention (оконное внимание), Grouped Query Attention (GQA), совместимость с HF
• ✅ Все архитектуры поддерживают обучение и генерацию текста

Генерация текста

• ✅ Greedy, sampling (Top-k, Top-p), контроль температуры, efficient caching

Обучение

• ✅ Языковое моделирование с кастомными и HF-токенизаторами
• ✅ AdamW, кастомные датасеты, сохранение чекпоинтов

Интеграция с HuggingFace (hf-proxy)

• ✅ Экспорт/импорт моделей и токенизаторов в HF совместимый формат
• ✅ Генерация и обучение через HF Trainer, pipelines и т.д.
• ✅ Двусторонняя поддержка: собственные модели становятся HF-совместимыми и наоборот

🔬 Эксперименты с hf-proxy

Успешно протестированные функции:

1. Базовая интеграция (test_hf_proxy.py)

   • ✅ Создание HF адаптера для токенизаторов
   • ✅ Создание HF адаптера для моделей
   • ✅ Токенизация и декодирование
   • ✅ Forward pass через адаптированную модель
   • ✅ Сохранение и загрузка моделей

2. Упрощенное обучение (simple_hf_training.py)

   • ✅ Обучение GPT модели с использованием hf-proxy
   • ✅ Ручной цикл обучения без сложных зависимостей
   • ✅ Сохранение результатов обучения

3. Генерация через HF инструменты (generate_with_hf_tools.py)

   • ✅ Загрузка моделей в HF формате
   • ✅ Генерация через стандартные HF интерфейсы
   • ✅ Сравнение стратегий генерации
   • ✅ Интерактивная генерация

Решенные проблемы:

• ✅ Исправление метода pad в токенизаторе для обработки разных типов данных
• ✅ Корректная загрузка моделей с передачей конфигурации
• ✅ Совместимость с HF экосистемой

📊 Примеры работы

Обучение модели

🚀 УПРОЩЕННОЕ ОБУЧЕНИЕ GPT С HF-PROXY
=========================================================
🔧 Подготовка данных...
📊 Данные: 10 train, 2 validation
🔧 Подготовка токенизатора...
✅ Токенизатор создан (vocab_size=473)
🔧 Подготовка модели...
✅ Модель создана
🎯 Обучение модели...
📊 Результаты обучения:
   Final train loss: 4.6802
   Final val loss: 5.1834
✅ Модель сохранена

Генерация через HF интерфейсы

🧪 Тестирование HuggingFace pipeline...
🎯 Генерация текста через HF адаптер
🔤 Промпт: 'Искусственный'
🎯 Результат: 'Искусственный интеллект продолжает развиваться...'

🔧 Разработка

Добавление зависимостей

# В корневой проект
uv add package-name

# В конкретный пакет
cd llm && uv add package-name

# Dev-зависимости
uv add --dev pytest black

Запуск тестов

uv run pytest

Форматирование кода

uv run black .
uv run ruff check .

🤝 Вклад в проект

1. Форкните репозиторий
2. Создайте feature ветку
3. Внесите изменения
4. Запустите тесты: uv run pytest
5. Отформатируйте код: uv run black . && uv run ruff check .
6. Создайте pull request

📄 Лицензия

MIT License

---

Разработано с ❤️ для исследований в области LLM

Обновлено: Октябрь 2025