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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目前在LLM中最流行的Tokenizer（分词器）应该是Google的SentencePiece了，因为它符合Tokenizer的一些理想特性，比如语言无关、数据驱动等，并且由于它是C++写的，所以Tokenize（分词）的速度很快，非常适合追求效率的场景。然而，它也有一些明显的缺点，比如训练速度慢（BPE算法）、占用内存大等，同时也正因为它是C++写的，对于多数用户来说它就是黑箱，也不方便研究和二次开发。

事实上，Tokenizer的训练就相当于以往的“新词发现”，而笔者之前也写过中文分词和最小熵系列文章，对新词发现也有一定的积累，所以很早之前就有自己写一版Tokenizer的想法。这几天总算腾出了时间初步完成了这件事情，东施效颦SentencePiece，命名为“BytePiece”。

Github：https://github.com/bojone/bytepiece

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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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上一篇文章《大词表语言模型在续写任务上的一个问题及对策》发布后，很快就有读者指出可以在训练阶段引入带有随机性的分词结果来解决同样的问题，并且已经有论文和实现。经过进一步查阅学习，笔者发现这是一个名为Subword Regularization的技巧，最早应用在NMT（机器翻译）中，目前SentencePiece也有相应的实现。看起来这个技巧确实能缓解前述问题，甚至有助于增强语言模型的容错能力，所以就有了将它加进去BytePiece的想法。

那么问题来了，如何将确定性分词改为随机性分词呢？BytePiece是基于Unigram模型的，它通过Viterbi算法找最大概率的分词方案，既然有概率，是否就可以自然地导出随机采样？本文来讨论这个问题，并分享自己的解决方案。

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我们知道，Scaled Dot-Product Attention的Scale因子是$\frac{1}{\sqrt{d}}$，其中$d$是$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}$的维度。这个Scale因子的一般解释是：如果不除以$\sqrt{d}$，那么初始的Attention就会很接近one hot分布，这会造成梯度消失，导致模型训练不起来。然而，可以证明的是，当Scale等于0时同样也会有梯度消失问题，这也就是说Scale太大太小都不行。

那么多大的Scale才适合呢？$\frac{1}{\sqrt{d}}$是最佳的Scale了吗？本文试图从梯度角度来回答这个问题。

已有结果

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经推导过标准的Scale因子$\frac{1}{\sqrt{d}}$，推导的思路很简单，假设初始阶段$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}\in\mathbb{R}^d$都采样自“均值为0、方差为1”的分布，那么可以算得
\begin{equation}\mathbb{V}ar[\boldsymbol{q}\cdot\boldsymbol{k}] = d\end{equation}

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在文章《随机分词浅探：从Viterbi Decoding到Viterbi Sampling》中，笔者提出了一种名为“Viterbi Sampling”的随机分词算法，它只是在求最优解的Viterbi Decoding基础上进行小修改，保留了Viterbi算法的简单快速的特点，相比于已有的Subword Regularization明显更加高效。不过，知乎上的读者 @鶴舞 指出，当前的采样算法可能会在多次二选一“稀释”了部分方案的出现概率，直接后果是原本分数最高的切分并不是以最高概率出现。

经过仔细思考后，笔者发现相应的问题确实存在，当时为了尽快得到一种新的采样算法，在细节上的思考和处理确实比较粗糙。为此，本文将进一步完善Viterbi Sampling算法，并证明完善后的算法在效果上可以跟Subword Regularization等价的。

问题分析

首先，我们来看一下评论原话：

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Efficient Transformer，泛指一切致力于降低Transformer的二次复杂度的工作，开始特指针对Attention的改进，后来更一般的思路，如傅里叶变换、线性RNN等，也被归入这个范畴。不得不说，为了降低Transformer的二次复杂度，各路大牛可谓是“八仙过海，各显神通”，各种神奇的思路“百花齐放”，笔者也从中学习到了不少理论知识。然而，尽管Efficient Transformer在理论上是精彩的，但实际上该领域一直都是不愠不火的状态，并没有实际表现十分出色的模型，在LLM火爆的今天，甚至已经逐渐淡出了大家的视野，也淡出了笔者的兴趣范围。

不过，最近有一篇论文《Transformer-VQ: Linear-Time Transformers via Vector Quantization》，却让笔者为之拍案叫绝。作者非常高明地洞察到，只需要对标准Attention的Key做一下VQ（Vector Quantize），复杂度就会自动降低为线性！这种线性化思路保留了标准Attention的形式，是标准Attention到线性Attention的一个完美过渡，同时最大程度上保留了标准Attention的能力。

高效难题

说起来，本站也算是比较早关注Efficient Transformer相关工作了，最早可以追溯到2019年解读Sparse Transformer的一篇博客《为节约而生：从标准Attention到稀疏Attention》。此后，陆续写的关于Efficient Transformer的其他博文还有

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