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ashwani65/gpt-from-scratch

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GPT From Scratch

Python 3.10+ PyTorch 2.0+ License: MIT

A complete GPT (Generative Pre-trained Transformer) implementation from first principles using PyTorch. No external LLM libraries - just pure PyTorch implementations of attention, transformers, and language modeling.


Overview

This project implements the GPT architecture from scratch for educational purposes. It demonstrates a deep understanding of transformer models, attention mechanisms, and language model training - all implemented without relying on high-level LLM libraries.

What's Implemented

  • Multi-Head Self-Attention - The core mechanism enabling transformers
  • Transformer Blocks - Pre-LN architecture as used in GPT-2
  • Positional Embeddings - Learned positional encodings
  • BPE Tokenizer - Byte Pair Encoding from scratch
  • Training Pipeline - With mixed precision, gradient clipping, LR scheduling
  • Text Generation - Temperature, top-k, and nucleus sampling
  • Web Interface - Streamlit demo for interactive generation
  • REST API - FastAPI server for production deployment

Architecture

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β”‚                              Input Tokens                                    β”‚
β”‚                                  [T₁, Tβ‚‚, T₃, ..., Tβ‚™]                       β”‚
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β”‚                         Token Embedding (vocab β†’ d_model)                    β”‚
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β”‚                      Positional Embedding (pos β†’ d_model)                    β”‚
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β”‚    β”‚                     Transformer Block (Γ—N)                        β”‚     β”‚
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β”‚    β”‚  β”‚  LayerNorm β†’ Multi-Head Self-Attention β†’ Residual Add      β”‚  β”‚     β”‚
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β”‚    β”‚  β”‚  LayerNorm β†’ Feed-Forward MLP (4Γ—d) β†’ Residual Add         β”‚  β”‚     β”‚
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β”‚                      Linear Projection (d_model β†’ vocab)                     β”‚
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Multi-Head Self-Attention

                    β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”
                    β”‚            Input (B, T, C)            β”‚
                    β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜
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                    β–Ό                  β–Ό                  β–Ό
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              β”‚  Query  β”‚        β”‚   Key   β”‚        β”‚  Value  β”‚
              β”‚  Linear β”‚        β”‚  Linear β”‚        β”‚  Linear β”‚
              β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜        β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜        β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜
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              β”‚ Reshape β”‚        β”‚ Reshape β”‚        β”‚ Reshape β”‚
              β”‚(B,H,T,D)β”‚        β”‚(B,H,T,D)β”‚        β”‚(B,H,T,D)β”‚
              β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜        β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜        β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜
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                    β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”                   β”‚
                    β”‚   QKα΅€ / √d_k    β”‚                   β”‚
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                    β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”                   β”‚
                    β”‚  Causal Mask    β”‚                   β”‚
                    β”‚  (future = -∞)  β”‚                   β”‚
                    β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜                   β”‚
                             β”‚                            β”‚
                             β–Ό                            β”‚
                    β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”                   β”‚
                    β”‚    Softmax      β”‚                   β”‚
                    β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜                   β”‚
                             β”‚                            β”‚
                             β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”¬β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜
                                          β–Ό
                                 β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”
                                 β”‚   Attention Γ— V β”‚
                                 β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜
                                          β”‚
                                          β–Ό
                                 β”Œβ”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”
                                 β”‚    Concat &     β”‚
                                 β”‚  Output Linear  β”‚
                                 β””β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”€β”˜

Model Configurations

Config Params Layers Heads d_model Context Use Case
nano ~1M 3 3 192 64 CPU testing
micro ~3M 4 4 256 128 Quick experiments
mini ~10M 6 6 384 256 Laptop training
small ~124M 12 12 768 1024 GPT-2 Small
medium ~350M 24 16 1024 1024 GPT-2 Medium

Quick Start

Installation

# Clone repository
git clone https://github.com/ashwani65/gpt-from-scratch.git
cd gpt-from-scratch

# Create virtual environment
python -m venv venv
source venv/bin/activate  # On Windows: venv\Scripts\activate

# Install dependencies
pip install -r requirements.txt

Training

# Train on Shakespeare (quick demo)
python train.py --config nano --epochs 10

# Train mini model on GPU
python train.py --config mini --epochs 20 --device cuda

# Custom training
python train.py --config micro --data data/your_text.txt --batch_size 32 --lr 3e-4

Text Generation

# Generate from checkpoint
python generate.py --checkpoint checkpoints/best_model.pt --prompt "To be or not to be"

# Interactive mode
python generate.py --checkpoint checkpoints/best_model.pt --interactive

# With sampling parameters
python generate.py --checkpoint checkpoints/best_model.pt \
    --prompt "Once upon a time" \
    --temperature 0.8 \
    --top_k 50 \
    --max_tokens 200

Web Interface

# Streamlit demo
streamlit run serving/streamlit_app.py

# FastAPI server
uvicorn serving.fastapi_server:app --reload --port 8000

Project Structure

gpt-from-scratch/
β”œβ”€β”€ gpt/
β”‚   β”œβ”€β”€ __init__.py
β”‚   β”œβ”€β”€ config.py          # Model & training configurations
β”‚   β”œβ”€β”€ model.py           # GPT model (attention, transformer, etc.)
β”‚   β”œβ”€β”€ tokenizer.py       # BPE tokenizer implementation
β”‚   └── dataset.py         # Data loading utilities
β”œβ”€β”€ serving/
β”‚   β”œβ”€β”€ streamlit_app.py   # Web UI demo
β”‚   └── fastapi_server.py  # REST API server
β”œβ”€β”€ notebooks/
β”‚   β”œβ”€β”€ 01_attention.ipynb # Understanding attention
β”‚   └── 02_training.ipynb  # Training walkthrough
β”œβ”€β”€ data/
β”‚   └── shakespeare.txt    # Sample training data
β”œβ”€β”€ checkpoints/           # Saved models
β”œβ”€β”€ train.py               # Training script
β”œβ”€β”€ generate.py            # Generation script
β”œβ”€β”€ requirements.txt
β”œβ”€β”€ Dockerfile
└── README.md

Key Concepts Implemented

1. Scaled Dot-Product Attention

Attention(Q, K, V) = softmax(QK^T / √d_k) Γ— V

The scaling factor 1/√d_k prevents the dot products from growing too large, which would push softmax into regions with extremely small gradients.

2. Causal Masking

For autoregressive language modeling, we mask future tokens to prevent the model from "cheating":

mask = torch.tril(torch.ones(T, T))
attn = attn.masked_fill(mask == 0, float('-inf'))

3. Pre-LayerNorm Architecture

GPT-2 uses Pre-LN (LayerNorm before attention/MLP) instead of Post-LN:

x = x + attention(layer_norm(x))
x = x + mlp(layer_norm(x))

4. Weight Tying

The token embedding weights are shared with the output projection layer, reducing parameters and often improving performance.


Training Results

Shakespeare (1MB text)

Model Training Time Val Loss Sample Quality
nano ~5 min (CPU) 1.8 Basic patterns
micro ~15 min (CPU) 1.5 Recognizable style
mini ~30 min (GPU) 1.3 Good coherence

Sample Generations

Prompt: "To be or not to be"

Temperature 0.5 (focused):

To be or not to be, that is the question:
Whether 'tis nobler in the mind to suffer
The slings and arrows of outrageous fortune...

Temperature 1.0 (creative):

To be or not to be, what dreams may come
When we have shuffled off this mortal coil
Must give us pauseβ€”there's the respect...

Comparison with Real GPT

Aspect This Implementation GPT-2/3/4
Architecture Same core Same + optimizations
Parameters 1M - 350M 124M - 1.7T
Training Data 1MB - 1GB 40GB - 570GB+
Training Time Minutes - Hours Days - Months
Training Cost Free (Colab) $50K - $100M
Capabilities Basic generation SOTA performance

Key Insight: The fundamental architecture is ~90% identical. The difference is scale: more parameters, more data, more compute, plus post-training alignment (RLHF).


API Reference

FastAPI Endpoints

Method Endpoint Description
GET / Health check
GET /info Model information
POST /generate Generate text
POST /tokenize Tokenize text

Generation Request

POST /generate
{
    "prompt": "Once upon a time",
    "max_tokens": 200,
    "temperature": 0.8,
    "top_k": 50,
    "top_p": 0.95
}

Learning Resources

This project was inspired by and builds upon:


License

MIT License - see LICENSE file.


Author

Ashwani Singh

Built as part of M.Tech in AI studies at IIT Jodhpur.


Understanding transformers by building them from scratch

About

GPT language model implemented from scratch using PyTorch

Resources

License

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No releases published

Packages

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