科学空间|Scientific Spaces

说到Transformer无法处理超长序列的原因，大家的第一反应通常都是Self Attention的二次复杂度。但事实上，即便忽略算力限制，常规的Transformer也无法处理超长序列，因为它们的长度外推性（Length Extrapolation）并不好，具体表现为当输入序列明显超过训练长度时，模型的效果通常会严重下降。

尽管已有一些相关工作，但长度外推问题离实际解决还比较远。本文介绍笔者构思的一种参考方案，它可能是目前唯一一种可以用在生成模型上、具备全局依赖能力的长度外推方法。

方法回顾

长度外推，也称为长度泛化（Length Generalization），此前我们在《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》、《Transformer升级之路：8、长度外推性与位置鲁棒性》已经介绍过部分工作。然而，它们各有各的问题。

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众所周知，不管是文本还是视觉领域，各种生成模型正在以无法阻挡的势头“肆虐”互联网。虽然大家都明白，实现真正的通用人工智能（AGI）还有很长的路要走，但这并不妨碍人们越来越频繁地利用生成模型来创作和分享内容。君不见，很多网络文章已经配上了Stable Diffusion模型生成的插图；君不见，很多新闻风格已经越来越显现出ChatGPT的影子。看似无害的这种趋势，正悄然引发了一个问题：我们是否应该对互联网上充斥的生成模型数据保持警惕？

近期发表的论文《Self-Consuming Generative Models Go MAD》揭示了一种令人担忧的可能性，那就是生成模型正在互联网上的无节制扩张，可能会导致一场数字版的“疯牛病”疫情。本文一起学习这篇论文，探讨其可能带来的影响。

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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 \\
\tiny{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\tiny{L - 1} & \tiny{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\end{pmatrix}\label{eq:rope}\end{equation}

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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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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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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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作为LLM的主流模型架构，Transformer在各类任务上的总体表现都出色，大多数情况下，Transformer的槽点只是它的平方复杂度，而不是效果——除了一个名为Long Range Arena（下面简称LRA）的Benchmark。一直以来，LRA一直是线性RNN类模型的“主场”，与之相比Transformer在上面有明显的差距，以至于让人怀疑这是否就是Transformer的固有缺陷。

不过，近日论文《Never Train from Scratch: Fair Comparison of Long-Sequence Models Requires Data-Driven Priors》将这“缺失的一环”给补齐了。论文指出，缺乏预训练是Transformer在LRA上效果较差的主要原因，而所有架构都可以通过预训练获得一定的提升，Transformer的提升则更为明显。

旧背景

Long Range Arena（LRA）是长序列建模的一个Benchmark，提出自论文《Long Range Arena: A Benchmark for Efficient Transformers》，从论文标题就可以看出，LRA是为了测试各种Efficient版的Transformer而构建的，里边包含了多种类型的数据，序列长度从1k到16k不等，此前不少Efficient Transformer的工作也都在LRA进行了测试。虽然在代表性方面有些争议，但LRA依然不失为一个测试Efficient Transformer的长序列能力的经典Benchmark。

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