[神经网络]04 Transformer

最近几年AI领域最受瞩目的模型。此外猜猜“GPT”是什么的简称？

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[神经网络]04 Transformer

目前认为，Transformer是处理序列数据上限最高的模型，并且迁移到非序列数据(比如Vision Transformer之于图像)时仍有不错的效果，因其优秀的性能、高效的计算过程和广阔的应用场景受到了广泛关注。当下大火大语言模型(如ChatGPT、BERT)都是基于Transformer的。

这一章将结合汤老师的课程、原论文以及李沐大神的网课视频，记录下Transformer的相关知识。

引子：为什么需要Transformer？

因为RNN系列模型存在缺陷(此时又是批判前辈时间，并且这些缺点自然也是Transformer的优点)

  • 难以获取长距离的依赖关系：RNN的隐层状态$h_t$只能通过$h_{t-1}$传递信息，如果距离过远，信息传递会出现衰减
  • 难以并行：由于严格限制了信息传递的方式，其信息均来自上一时刻的隐层状态，因此无法并行计算。这在工程上是一个十分致命的问题。

符号约束与术语解释

符号 含义
$X(x_1,x_2,…,x_n)$ 输入序列，我们通常喜欢把输入记作$X$
$Y(y_1,y_2,…,y_m)$ Decoder的输出序列，我们通常喜欢把输出记作$Y$
$Z(z_1,z_2,…,z_n)$ Self-Attention的输出序列，这个序列是一个中间向量，用于后续的处理
$R(r_1,r_2,…,r_n)$ FFN的输出序列，这个序列是Self-Attention的输出序列经过FFN处理后的结果
术语 含义
Attention 注意力机制，指模型在生成输出时，对输入序列中不同位置的信息赋予不同的权重。
Auto-Regressive 自回归，指模型的输出依赖于之前的输出，这一特点在Decoder生成输出的过程中有所体现。
Decoder 解码器，在Transformer中的一种结构，用于将向量表示转换为输出序列。
Encoder 编码器，在Transformer中的一种结构，用于将输入序列转换为向量表示。
FC/Fully-Connection 全连接层，神经网络中一种常见的结构，每个神经元与上一层的所有神经元相连，这种结构的优点是参数多，表达能力强，缺点是计算量大。
FFN/Feed-Forward Network 前馈神经网络，在Transformer原始论文中就是一个2层的MLP，也就是两个全连接层，作用是进行非线性运算，让模型学到更抽象的特征。
Multi-Head Attention 多头注意力机制，是Transformer中的一种结构，用于增加模型的表达能力。
MLP/Multi-Layer Perceptron 多层感知机，神经网络中一种常见的结构，由多个全连接层(FC)组成。
Self-Attention 自注意力机制，是Transformer的核心，用于捕捉序列中的长距离依赖关系。
Sequence Transduction Models 序列转换模型，指的是输入是序列，输出也是序列的一类模型，看得出来这是单纯从输入和输出的角度来定义的。
Stack 堆叠/堆积，不要翻译成“堆栈”，那是计算机组成原理的东西。在这里指一种结构：某种“块”连续地串行排列，按照这种结构进行运算。

10.1 模型介绍

  • 在原始论文《Attention Is All You Need》中，Transformer模型被提出，并且用来完成机器翻译任务。因此下面的内容将以机器翻译任务为例，用以详细介绍Transformer模型。
  • 现在Transformer模型已经被广泛运用在各种序列数据(如时序数据、文本数据等)，甚至非序列数据中了(例如Vision Transformer)
  • 顺便说一句，在这篇文章出现之前，你去搜“Transformer”基本上只能搜出来变压器广告和变形金刚剧照，但现在，它的风头已经完全盖过了这两者。但其实这个名字取得也很合适——Transformer能用在多种任务中，“变形金刚”一词很贴切，而Transformer的“Encoder-Decoder”结构，与变压器的结构(原绕组-副绕组)也有异曲同工之妙。

10.1.1 模型整体结构

Transformer结构

“The Transformer follows this overall architecture using stacked self-attention and point-wise, fully connected layers for both the encoder and decoder, shown in the left and right halves of Figure 1, respectively.”

“Transformer遵循这一整体架构，编码器和解码器都使用堆叠自注意力、逐点(姑且这么翻译)、全连接层，分别如图1的左半部分和右半部分所示。”

  • 以上是Transformer原论文中的配图，其中左侧为Encoder，右侧为Decoder，我比较喜欢先整体后细节的方式，所以这一小节咱们只看整体结构和输入输出。
  1. Encoder：对于左侧的Encoder，其输入均来自上一层Encoder的输出(第一层Encoder的输入为原始输入序列)，也就是图中$\text{Input Embedding+Positional Encoding}$的结果。
  2. Decoder：而对于右侧的Decoder，我们能注意到一个不同的地方：它的输入不仅来自左边Encoder，同时还包括了一个$\text{Output Embedding+Positional Encoding}$。这其实就是$\text{Auto-regressive}$(自回归)的体现。它表示的意思是，Decoder每生成一个$y_i$，都会将其加入到下一时刻的输入中，也就是说，对于Decoder生成的第$t$个输出$y_t$，其“$\text{Outputs (Shifted right)}$”实际上是$(y_1,y_2,…,y_{t-1})$的向量表示。

    这里沐神总结的非常好：“在过去时刻的输出，也会作为当前时刻的输入”。

    • 此外，李沐老师提到，在解码器做预测任务时是没有输入的，此时的“$\text{Outputs (Shifted right)}$”是解码器在之前的时刻生成的输出，而“$\text{Shifted right}$”表示的是先前的输出作为此时的输入，是“一个一个往右移”地输入。

      这里没听懂没关系，在后面Decoder结构部分举了个例子来讲这里的“Shifted right”。

  3. 输出：因为Transformer仍然是一种$\text{sequence transduction models}$模型，因此通常来说Decoder输出的仍然是一个序列。比如在机器翻译任务中，Transformer的输入是一句德语，输出是一句英语，二者都是文本(序列数据)，如下图简化结构所示。但是上图我们能看到，在Decoder的输出后面，又套了一个$\text{Linear}$层，然后再套一个$\text{Softmax}$，得到$\text{Output Probabilities}$。这是因为在机器翻译任务中，Decoder每次实际输出的是一个向量(logits)，该向量中每个数表示一个单词的分数，随后通过Softmax将其转换为概率，并选择概率最高的单词作为本次的输出。

  4. 补充：最后，我们还能注意到在Decoder和Encoder旁边都有一个$N\times$，这表示实际的Transformer中，编解码器实际上是“Encoders”和“Decoders”，是若干个Encoder和Decoder堆叠在一起的。在原始论文里，作者使用了6个Encoder和6个Decoder。

    但是这个”6”不用奉为圭臬，实际上这个数字是很随意的，可以根据任务的复杂度、数据集的大小等因素来调整。

Transformer简化结构

  • 所以总结一下就是：
    • Encoders：若干个Encoder层，将输入序列生成隐层空间的表示。
    • Decoders：若干个Decoder层，将隐层空间的表示转换为输出序列。
    • 特点：Encoder和Decoder经过多层编码/解码，feature map的大小不变。

10.1.2 Encoder结构

这节咱们分析一下Encoder的结构啊，原论文的图细节非常清晰，但是相对应的，有些复杂。所以咱就把原论文中的图和简化的图一块摆出来，对比着看。

如下所示的这么一个框，咱们把它叫做一个block，一个块，咱们主要是以上图为主。

Encoder结构 Encoder简化结构图

  • 在看Encoder结构之前，我们可以先看看它的输入：一个$\text{Input Embedding}$和$\text{Positional Encoding}$相加。$\text{Input Embedding}$好理解，用Word2Vec或者其他词嵌入算法将原始自然语言转换为向量表示，但$\text{Positional Encoding}$是什么？
    • 因为除了$\text{Positional Encoding}$之外，Transformer就没有其他捕捉序列信息的方法了。Encoder的功能就是将输入的一堆向量$x_i$转换为另一种向量$r_i$，你问Encoder$x_i$和$x_j$谁在前谁在后？它不知道，所以需要额外的信息来告诉它。$\text{Positional Encoding}$就是这个信息，它是一个和$x_i$同维度的向量，表示$x_i$在序列中的位置。
  • 然后我们看看Encoder啊，首先一眼能看到的是里面包括了一个$\text{Multi-Head Attention}$(多头注意力模块)和一个$\text{Feed Forward}$。那么至于什么是注意力机制、为什么要用多头注意力，以及为什么要来个全连接层，咱们后面会详细讲解的。
  • 简单来说，Encoder是将输入$x_i$转换为向量表示$r_i$。
    • 接触过NLP的同学可能会奇怪：将自然语言转换成向量表示，这不是embedding吗，哪里是Encoder应该做的？说的没错，实际上输入$x_i$已经是词向量序列了，是经过预处理过程中Word2Vec或者其他词嵌入算法得到的。
    • 但是从意义上来讲，Word2Vec以及其他算法只是将文字(Plain text)转换为向量表示，而$Encoder$则是利用$\text{Self-Attention}$，将每个词向量转换成了另一种向量，后文在Self-Attention中会讲这个向量$Z$的含义，当你理解了该向量的含义后，很多问题就迎刃而解了。
\[Z=\text{Attention}(Q,K,V)=\text{Softmax}(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}})V\]

似乎暂时还用不着，但感觉在这里放一个公式会显得很专业，就先随手放一个。

  • 随后Z将会被送到$\text{Feed Forward}$中进行处理，从$z_i$转换为$r_i$。
  • 所以严格来说，是$\text{Multi-Head Attention}$把$x_i$转换成了$z_i$，而$\text{Feed Forward}$则将$z_i$映射到了$r_i$。
  • 最后再说点简化结构图中的东西：
    1. 简化图中的Encoder第一步是$\text{Self-Attention}$，其实不用在意，因为$\text{Multi-Head Attention}$就是$\text{Self-Attention}$的改进形式，思想和基本原理是相同的。只不过原论文中为了尽量准确，特意指明了用的是$\text{Multi-Head Attention}$，在初学时二者不用泾渭分明地区分。
    2. 简化图中省去了”Add & Norm”这一步
    3. 右图中的Encoder外部出现了两个箭头，但是按照原论文来说，应当只有1个，要么是向上的，表示该Encoder的输出继续流向下个Encoder；要么是向右的，表示该Encoder已经是N个Encoders中的最后一个了，结果将流向Decoder，但是这里出现了两个箭头，可能是为了简化图的表达？不确定。

10.1.3 Decoder结构

同样，也是两张图对比着看

Decoder结构 Decoder简化结构

  • 在上面的两幅图中，尽管很多模块的名称看起来并不相同，但实际上这两幅图表示的过程是一样的，确实只是名称不同。咱们还是以上图(原论文)中的叫法来。

  • 首先，输入是$\text{Output Embedding+Positional Encoding}$的结果，而且$\text{Output Embedding}$还有一个Shifted right，这一串设计让人有点眼花缭乱，没事，慢慢掰扯。
    1. 先来聊个简单的：Shifted right。
      • 它表示“让输入整体右移一位”，比如说我们的任务是“我爱中国” → “I love China”，那么$\text{Output Embedding}$就是“I love China”，经Shifted right后就变成了”<start> I love China”，其中”<start>“表示一个开始标记，这样Decoder就知道开始翻译了。

        But, Why?

      • 因为咱们要做的本质上是个预测任务，Decoder翻译时是循环着逐词“蹦”出来的，那么当进行第$t$次循环时，它应当预测第$t$个词，而为了不让它直接通过$\text{Output Embedding}$提前知道第$t$个词的内容，所以整个$\text{Output Embedding}$都右移一位，这样Decoder就不会“提前看到答案”了。

        突然脑洞一下，这篇论文的阿拉伯语版译文会不会是Shifted left的意思？

    2. 然后$\text{Output Embedding}$和$\text{Positional Encoding}$进行相加没什么好说的，和前面Encoder的原因一样。
    3. 那么这个$\text{Output Embedding}$到底是什么呢？其实就是这一堆Decoder迭代过程中的输出。比如第一轮迭代，$\text{Output Embedding}$就是”<start>“，而这轮迭代的输出结果应当是”I”，那么第二轮迭代时，$\text{Output Embedding}$就是”<start> I”，而这轮迭代的输出结果应当是”love”，以此类推。
    4. 还有一个问题：
  • OK，输入看完了我们开始看第一个模块：$\text{Masked Multi-Head Attention}$，咱们现在只说说$\text{Masked}$（掩盖/遮盖/掩码），其实都差不多，指的其实就是刚刚的Shifted right，让每个时间步的预测只能依赖于该时间步之前的输出和Encoder的输出，Attention相关的部分留到下节讲。
  • 然后我们再看第二个模块：$\text{Multi-Head Attention}$，它不光接收了Encoder的输出，还接收了$\text{Masked Multi-Head Attention}$的输出，然后….就没什么特殊的了，和Encoder的$\text{Multi-Head Attention}$一样。
  • $\text{Feed Forward}$的作用和Encoder中的一样，也是为了让模型学到更复杂的特征。

10.1.4 其他部分

Transformer结构

  • 好，咱们把这个图再贴过来，讲讲整个流程中，刚刚没提到的东西。
  1. 首先就是：Encoder和Decoder都有的这个$\text{Feed Forward}$是干嘛的
    • 从结构上来讲，它是一个前馈神经网络模块是个2层MLP，第一层用ReLU激活，第二层使用线性激活函数。
    • 从功能上来讲，它的作用是让模型学到更复杂的特征，因为$\text{Multi-Head Attention}$中只是只有线性变换(矩阵乘法)，而$\text{Feed Forward}$中有非线性激活函数，能让模型学到更复杂的特征。 一个脑洞大开的表情包
  2. $\text{Add & Norm}$又是干嘛的呢？
    • 这一步是残差连接和Layer Normalization，层归一化，是为了稳定梯度，防止过拟合，属于常见的工程技巧，不是核心内容，可能是出于这个原因，在简化图中省略了。
  3. 可以看到在整个模型最后，Decoder的输出最后过了一个$\text{Linear}$和一个$\text{Softmax}$，然后得到了$\text{Output Probabilities}$，这可能会让人有些疑问：明明是翻译任务，应该属于预测任务而非分类任务，为什么要用$\text{Softmax}$呢？
    • 这是因为在机器翻译任务中，Decoder每次实际输出的是一个向量(logits)，该向量中每个数表示一个单词的分数，随后通过Softmax将其转换为概率，并选择概率最高的单词作为本次的输出。
    • 比如在“我爱中国 → I love China”的任务中，在生成“I”的过程中，Decoder的输出是一个向量，比如它可能形如[0.05, 0.05, 0.80, 0.05, 0.05]，其中每个数表示一个单词的分数，随后通过Softmax将其转换为概率，而“I”正是根据这个概率选择出来的。
    • 至于为什么要这么设计：当然是因为这样，每个结果都是一个概率分布，可以知道每个单词的置信度，同时也便于计算交叉熵损失。

其他的….未完待续

10.2 自注意力机制(Self-Attention)

Self-Attention是Transformer的核心，也是其最大的创新之一。它的提出解决了RNN系列模型的长距离依赖问题，同时也使得Transformer能够并行计算。

  • 每个单词有3个不同的向量

    • Q: Query(查询)
    • K: Key(键)
    • V: Value(值)

10.2.1 自注意力计算方法

  1. 每个单词都转化为$Embedding$(嵌入，或者说词向量)。
  2. 根据$Embedding$得到第$i$个词的向量$q_i,k_i,v_i$，每个词的向量构成了$W^Q,W^K,W^V$三个权值矩阵(有时候也直接记作$Q,K,V$)
  3. 然后计算$\text{score}_i$，$\text{score}_i=q_i . k_j$(j遍历其他所有的词向量)，得到若干个score值，这些值构成$score_i$向量
  4. 然后是个工程技巧(trick)，将$score_i$除以$\sqrt{d_k}$，其中$d_k$是$K$的维度，实质上是个归一化，避免尺度不同造成的影响，同时稳定梯度
  5. 对于上述$score_i$套个Softmax，转换为概率分布，然后再乘以$v_i$，得到最终的$z_i$
  6. 在self-attention需要强调的最后一点是其采用了残差网络中的short-cut，以及Layer Normalization，目的都是稳定梯度，防止过拟合。

10.3 其他设计

10.3.1 Multi-Head Attention

  • 实质即多个Self-Attention并行，允许不同的头关注不同的位置

10.3.2处理序列信息：Positional Encoding

  • 先前的设计中没有利用序列信息，为了解决这个问题，Transformer引入了Positional Encoding

10.3.3 其他Trick

  • 残差连接
  • Layer Normalization

Ques10-例题整理

[原理理解·自注意力机制]

题目内容

  • 请详细解释Transformer模型的自注意力(Self-Attention)机制如何帮助模型捕捉序列中的长距离依赖关系。

分析与解答

  • Self-Attention的运算过程如下：
    • Transformer为每个词向量都分配三个权重矩阵：$W^Q,W^K,W^V$，将每个词向量分别与这三个权重矩阵相乘，得到$q_i,k_i,v_i$；然后对于序列中的每一个词$x_i$计算其权重：$\text{attention}_i=\text{Softmax}\left(\frac{Q\cdot K^\top}{\sqrt{d_k}}\right)$。实际得到$attention$系数矩阵，最后按照$Z=attention\cdot V$得到输出。
  • 在Transformer中，其Encoder和Decoder都使用了Self-Attention机制。
    • 在编码阶段，每个词向量经过编码后都包含了其对于整个序列的相关性信息。
    • 在预测阶段，Decoder会接收来自Encoder传入的Q、K矩阵，使得进行每一次预测时，模型拥有了对于之前序列的全局信息，从而避免了像RNN一样对于长序列编码过程中信息丢失的问题。

[模型理解·网络结构比较]

题目内容

  • 请比较并对比CNN、RNN、GRU、LSTM和Transformer这五种神经网络结构。请考虑他们的主要特性、优点、缺点和适用场景。

分析与解答

模型 网络结构 特性 优点 缺点 适用场景
CNN 卷积层、池化层、全连接层。 通过卷积层和池化层来提取特征并减少参数量。 权值共享、局部感受野、平移不变性。 池化层可能会丢失信息、容易出现梯度消失或梯度爆炸。 计算机视觉中，分类、识别等任务。
RNN 多个神经元线性排列。 适合处理序列数据。 可以捕捉长期依赖关系，能有效利用时序信息。 难以解决“长期依赖”问题，难以并行化计算。 自然语言处理中，如机器翻译、情感分析等任务。
GRU 引入了更新门和重置门。 通过更新门和重置门控制信息的流动。 计算相较于LSTM更快，某些问题下能达到不错的效果。 在某些情况下仍然无法很好处理长期依赖问题。 同上。
LSTM 引入了遗忘门、输入门和输出门。 通过遗忘门、输入门和输出门控制信息的流动。 适用于处理长期依赖关系，能够有效地缓解梯度消失和梯度爆炸问题。 计算较为复杂，开销大。 同上。
Transformer 包括Decoder-Encoder两部分。 基于自注意力机制，能有效应对长距离依赖问题。 允许并行计算，对于序列数据的处理效果更好。 局部信息的获取不如RNN和CNN强。 序列数据的处理，如自然语言处理。

References