科学空间|Scientific Spaces

在文章《训练1000层的Transformer究竟有什么困难？》发布之后，很快就有读者问到如果将其用到《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中的“门控注意力单元（GAU）”，那结果是怎样的？跟标准Transformer的结果有何不同？本文就来讨论这个问题。

先说结论

事实上，GAU是非常容易训练的模型，哪怕我们不加调整地直接使用“Post Norm + Xavier初始化”，也能轻松训练个几十层的GAU，并且还不用Warmup。所以关于标准Transformer的很多训练技巧，到了GAU这里可能就无用武之地了...

为什么GAU能做到这些？很简单，因为在默认设置之下，理论上$\text{GAU}(\boldsymbol{x}_l)$相比$\boldsymbol{x}_l$几乎小了两个数量级，所以
\begin{equation}\boldsymbol{x}_{l+1} = \text{LN}(\boldsymbol{x}_l + \text{GAU}(\boldsymbol{x}_l))\approx \boldsymbol{x}_l\end{equation}

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在《训练1000层的Transformer究竟有什么困难？》中我们介绍了微软提出的能训练1000层Transformer的DeepNet技术。而对于DeepNet，读者一般也有两种反应，一是为此感到惊叹而点赞，另一则是觉得新瓶装旧酒没意思。出现后一种反应的读者，往往是因为DeepNet所提出的两个改进点——增大恒等路径权重和降低残差分支初始化——实在过于稀松平常，并且其他工作也出现过类似的结论，因此很难有什么新鲜感。

诚然，单从结论来看，DeepNet实在算不上多有意思，但笔者觉得，DeepNet的过程远比结论更为重要，它有意思的地方在于提供了一个简明有效的梯度量级分析思路，并可以用于分析很多相关问题，比如本文要讨论的“为什么需要残差”，它就可以给出一个比较贴近本质的答案。

增量爆炸

为什么需要残差？答案是有了残差才更好训练深层模型，这里的深层可能是百层、千层甚至万层。那么问题就变成了为什么没有残差就不容易训练深层模型呢？

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之前笔者一直都是聚焦于模型的构思和实现，鲜有关注模型的训练加速，像混合精度和XLA这些技术，虽然也有听过，但没真正去实践过。这两天折腾了一番，成功在bert4keras中使用了混合精度和XLA来加速训练，在此做个简单的总结，供大家参考。

本文的多数经验结论并不只限于bert4keras中使用，之所以在标题中强调bert4keras，只不过bert4keras中的模型实现相对较为规整，因此启动这些加速技巧所要做的修改相对更少。

实验环境

本文的实验显卡为3090，使用的docker镜像为nvcr.io/nvidia/tensorflow:21.09-tf1-py3，其中自带的tensorflow版本为1.15.5。另外，实验所用的bert4keras版本为0.11.3。其他环境也可以参考着弄，要注意有折腾精神，不要指望着无脑调用。

顺便提一下，3090、A100等卡只能用cuda11，而tensorflow官网的1.15版本是不支持cuda11的，如果还想用tensorflow 1.x，那么只能用nvidia亲自维护的nvidia-tensorflow，或者用其构建的docker镜像。用nvidia而不是google维护的tensorflow，除了能让你在最新的显卡用上1.x版本外，还有nvidia专门做的一些额外优化，具体文档可以参考这里。

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不知道大家留意到一个细节没有，就是当前NLP主流的预训练模式都是在一个固定长度（比如512）上进行，然后直接将预训练好的模型用于不同长度的任务中。大家似乎也没有对这种模式有过怀疑，仿佛模型可以自动泛化到不同长度是一个“理所应当”的能力。

当然，笔者此前同样也没有过类似的质疑，直到前几天笔者做了Base版的GAU实验后才发现GAU的长度泛化能力并不如想象中好。经过进一步分析后，笔者才明白原来这种长度泛化的能力并不是“理所当然”的......

模型回顾

在《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中，我们介绍了“门控注意力单元GAU”，它是一种融合了GLU和Attention的新设计。

除了效果，GAU在设计上给我们带来的冲击主要有两点：一是它显示了单头注意力未必就逊色于多头注意力，这奠定了它“快”、“省”的地位；二是它是显示了注意力未必需要Softmax归一化，可以换成简单的$\text{relu}^2$除以序列长度：
\begin{equation}\boldsymbol{A}=\frac{1}{n}\text{relu}^2\left(\frac{\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}}{\sqrt{s}}\right)=\frac{1}{ns}\text{relu}^2\left(\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}\right)\end{equation}

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

在《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》中，我们提出了一个用于多标签分类的损失函数：
\begin{equation}\log \left(1 + \sum\limits_{i\in\Omega_{neg}} e^{s_i}\right) + \log \left(1 + \sum\limits_{j\in\Omega_{pos}} e^{-s_j}\right)\label{eq:original}\end{equation}
这个损失函数有着单标签分类中“Softmax+交叉熵”的优点，即便在正负类不平衡的依然能够有效工作。但从这个损失函数的形式我们可以看到，它只适用于“硬标签”，这就意味着label smoothing、mixup等技巧就没法用了。本文则尝试解决这个问题，提出上述损失函数的一个软标签版本。

巧妙联系

多标签分类的经典方案就是转化为多个二分类问题，即每个类别用sigmoid函数$\sigma(x)=1/(1+e^{-x})$激活，然后各自用二分类交叉熵损失。当正负类别极其不平衡时，这种做法的表现通常会比较糟糕，而相比之下损失$\eqref{eq:original}$通常是一个更优的选择。

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在文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们推导了一版具有熵不变性质的注意力机制：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{\kappa \log n}{d}QK^{\top}\right)V\label{eq:a}\end{equation}
可以观察到，它主要是往Softmax里边引入了长度相关的缩放因子$\log n$来实现的。原来的推导比较繁琐，并且做了较多的假设，不利于直观理解，本文为其补充一个相对简明快速的推导。

推导过程

我们可以抛开注意力机制的背景，直接设有$s_1,s_2,\cdots,s_n\in\mathbb{R}$，定义
$$p_i = \frac{e^{\lambda s_i}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{\lambda s_i}}$$

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最近有读者提到想测试一下GlobalPointer与R-Drop结合的效果，但不知道GlobalPointer下的KL散度该怎么算。像R-Drop或者虚拟对抗训练这些正则化手段，里边都需要算概率分布的KL散度，但GlobalPointer的预测结果并非一个概率分布，因此无法直接进行计算。

经过一番尝试，笔者给出了一个可用的形式，并通过简单实验验证了它的可行性，遂在此介绍笔者的分析过程。

对称散度

KL散度是关于两个概率分布的函数，它是不对称的，即$KL(p\Vert q)$通常不等于$KL(q\Vert p)$，在实际应用中，我们通常使用对称化的KL散度：
\begin{equation}D(p,q) = KL(p\Vert q) + KL(q\Vert p)\end{equation}

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$\text{logsumexp}$是机器学习经常遇到的运算，尤其是交叉熵的相关实现和推导中都会经常出现，同时它还是$\max$的光滑近似（参考《寻求一个光滑的最大值函数》）。设$x=(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，$\text{logsumexp}$定义为
\begin{equation}\text{logsumexp}(x)=\log\sum_{i=1}^n e^{x_i}\end{equation}
本文来介绍$\text{logsumexp}$的几个在理论推导中可能用得到的不等式。

基本界

记$x_{\max} = \max(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，那么显然有
\begin{equation}e^{x_{\max}} < \sum_{i=1}^n e^{x_i} \leq \sum_{i=1}^n e^{x_{\max}} = ne^{x_{\max}}\end{equation}
各端取对数即得
\begin{equation}x_{\max} < \text{logsumexp}(x) \leq x_{\max} + \log n\end{equation}

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