科学空间|Scientific Spaces

预训练刚兴起时，在语言模型的输出端重用Embedding权重是很常见的操作，比如BERT、第一版的T5、早期的GPT，都使用了这个操作，这是因为当模型主干部分不大且词表很大时，Embedding层的参数量很可观，如果输出端再新增一个独立的同样大小的权重矩阵的话，会导致显存消耗的激增。不过随着模型参数规模的增大，Embedding层的占比相对变小了，加之《Rethinking embedding coupling in pre-trained language models》等研究表明共享Embedding可能会有些负面影响，所以现在共享Embedding的做法已经越来越少了。

本文旨在分析在共享Embedding权重时可能遇到的问题，并探索如何更有效地进行初始化和参数化。尽管共享Embedding看起来已经“过时”，但这依然不失为一道有趣的研究题目。

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打从在《Tiger：一个“抠”到极致的优化器》提出了Tiger优化器之后，Tiger就一直成为了我训练模型的“标配”优化器。最近笔者已经尝试将Tiger用到了70亿参数模型的预训练之中，前期效果看上来尚可，初步说明Tiger也是能Scale Up的。不过，在查看训练好的模型权重时，笔者发现Embedding出现了一些异常值，有些Embedding的分量达到了$\pm 100$的级别。

经过分析，笔者发现类似现象并不会在Adam中出现，这是Tiger或者Lion这种带符号函数$\text{sign}$的优化器特有的问题，对此文末提供了两种参考解决方案。本文将记录笔者的分析过程，供大家参考。

现象

接下来，我们的分析都以Tiger优化器为例，但分析过程和结论同样适用于Lion。

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上周在《Transformer升级之路：12、无限外推的ReRoPE？》中，笔者提出了ReRoPE和Leaky ReRoPE，诸多实验结果表明，它们能够在几乎不损失训练效果的情况下免微调地扩展LLM的Context长度，并且实现了“longer context, lower loss”的理想特性，此外跟NTK-aware Scaled RoPE不同的是，其中ReRoPE似乎还有表现出了无限的Context处理能力。

总之，ReRoPE看起来相当让人满意，但美中不足的是会增加推理成本，具体表现为第一步推理需要算两次Attention，以及后续每步推理需要重新计算位置编码。本文试图通过在训练中逆用Leaky ReRoPE的方法来解决这个问题。

回顾

让我们不厌其烦地重温一下：RoPE形式上是一种绝对位置编码，但实际达到的效果是相对位置编码，对应的相对位置矩阵是：
\begin{equation}\begin{pmatrix}0 & \\
1 & 0 & \\
2 & 1 & 0 &\\
3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\small{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\small{L - 1} & \small{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\end{pmatrix}\label{eq:rope}\end{equation}

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在上一篇文章《Transformer升级之路：13、逆用Leaky ReRoPE》中，笔者尝试通过在训练阶段逆用Leaky ReRoPE的思路，使得推理阶段的位置编码变为正常的RoPE，从而在达到长度外推的同时解决ReRoPE推理变慢的缺点。遗憾的是，从实验结果来看，“Leaky ReRoPE → RoPE”的效果并不如“RoPE → ReRoPE/Leaky ReRoPE”，因此这个问题尚未完全解决。

此时，笔者想到此前在《Transformer升级之路：9、一种全局长度外推的新思路》提出的HWFA本身就具有一定的长度外推能力，如果跟ReRoPE“强强联合”，是否会有更好的效果？更关键是，HWFA的加入可以大幅度降低推理成本，从而弥补ReRoPE的不足！

温故

首先，“例行公事”地回顾一下HWFA。HWFA（Hybird Window-Full Attention）并非一个具体的模型，而是一种Attention的组合方式，能够在基本保持效果不变的前提下，增强Attention模型的长度外推能力，同时还能降低训练和推理成本。

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对于LLM来说，通过增大Tokenizer的词表来提高压缩率，从而缩短序列长度、降低解码成本，是大家都喜闻乐见的事情。毕竟增大词表只需要增大Embedding层和输出的Dense层，这部分增加的计算量几乎不可感知，但缩短序列长度之后带来的解码速度提升却是实打实的。当然，增加词表大小也可能会对模型效果带来一些负面影响，所以也不能无节制地增加词表大小。本文就来分析增大词表后语言模型在续写任务上会出现的一个问题，并提出参考的解决方案。

优劣分析

增加词表大小的好处是显而易见的。一方面，由于LLM是自回归的，它的解码会越来越慢，而“增大词表 → 提高压缩率 → 缩短序列长度”，换言之相同文本对应的tokens数变少了，也就是解码步数变少了，从而解码速度提升了；另一方面，语言模型的训练方式是Teacher Forcing，缩短序列长度能够缓解Teacher Forcing带来的Exposure Bias问题，从而可能提升模型效果。

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铁锅（网络图）

很多会下厨的同学估计都纠结过一件事情，那就是炒锅的选择。

对于炒锅的纠结，归根结底是不粘与方便的权衡。最简单的不粘锅自然是带涂层的不粘锅，如果家里的热源只有电磁炉，并且炒菜习惯比较温和，那么涂层不粘锅往往是最佳选择了。不过，一旦有了明火的燃气灶，又或者是比较喜欢爆炒，那么涂层锅可能就不是那么适合了，毕竟温度过高涂层总有脱落的风险，此时一般就考虑无涂层不粘锅。

无涂层不粘锅也有五花八门的选择，比如朴素的铁锅、带蜂窝纹的不锈钢锅、有钛锅、纯钛锅等等，价格大体上也单调递增。不过用到最后，我觉得大部分人都会回归到朴素的铁锅。

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大体上，我们可以将目前Transformer的长度外推技术分为两类：一类是事后修改，比如NTK-RoPE、YaRN、ReRoPE等，这类方法的特点是直接修改推理模型，无需微调就能达到一定的长度外推效果，但缺点是它们都无法保持模型在训练长度内的恒等性；另一类自然是事前修改，如ALIBI、KERPLE、XPOS以及HWFA等，它们可以不加改动地实现一定的长度外推，但相应的改动需要在训练之前就引入，因此无法不微调地用于现成模型，并且这类方法是否能够Scale Up还没得到广泛认可。

在这篇文章中，笔者将介绍一种意外发现的长度外推方案——“KeyNorm”——对Attention的Key序列做L2 Normalization，很明显它属于事前修改一类，但对Attention机制的修改非常小，因此看上去非常有希望能够Scale Up。

最初动机

之所以说“意外发现”，是因为该改动的原始动机并不是长度外推，而是尝试替换Scaled Dot-Product Attention中的Scale方式。我们知道，Attention的标准定义是（本文主要考虑Causal场景）
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \frac{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)\boldsymbol{v}_j}{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)},\quad \boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j\in\mathbb{R}^d\label{eq:sdpa}\end{equation}

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前些天我们在《VQ一下Key，Transformer的复杂度就变成线性了》介绍了“Transformer-VQ”，这是通过将Key序列做VQ（Vector Quantize）变换来实现Attention复杂度线性化的方案。诚然，Transformer-VQ提供了标准Attention到线性Attentino的一个非常漂亮的过渡，给人一种“大道至简”的美感，但熟悉VQ的读者应该能感觉到，当编码表大小或者模型参数量进一步增加时，VQ很可能会成为效果提升的瓶颈，因为它通过STE（Straight-Through Estimator）估计的梯度大概率是次优的（FSQ的实验结果也算是提供了一些佐证）。此外，Transformer-VQ为了使训练效率也线性化所做的梯度截断，也可能成为将来的效果瓶颈之一。

为此，笔者花了一些时间思考可以替代掉VQ的线性化思路。从Transformer-VQ的$\exp\left(QC^{\top}\right)$形式中，笔者联想到了Performer，继而“顺藤摸瓜”地发现原来Performer可以视为Soft版的Transformer-VQ。进一步地，笔者尝试类比Performer的推导方法来重新导出Transformer-VQ，为其后的优化提供一些参考结果。

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