科学空间|Scientific Spaces

我们之前通过矩阵变换方式推导出了洛伦兹变换以及速度合成公式等结论，不得不说，矩阵推导方式有种引人入胜的魅力。今天，在讲述相对论（包括电动力学、广义相对论）的书籍里边，在数学形式上取而代之了张量这一工具，这实际上是对矩阵的一个推广（之前已经提到过，二阶张量相当于矩阵）。采用这样的形式在于它充分体现了相对论的对称和变换关系。本文将来谈及狭义相对论的一些基本结论，包括同时性、长度收缩、时间延缓等。

本文的光速$c=1$。

同时的相对性

在同一时空中，采取两个时空坐标进行洛伦兹变换，再作差，我们得到：
\begin{equation}\left[\begin{array}{c} \Delta x\\ \Delta t \end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{1-v^2}}\left[\begin{array}{c c}1 & v\\ v & 1 \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\Delta x'\\ \Delta t' \end{array}\right]\end{equation}

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上一篇文章《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》我们讨论了Transformer的长度外推性，得出的结论是长度外推性是一个训练和预测的不一致问题，而解决这个不一致的主要思路是将注意力局部化，很多外推性好的改进某种意义上都是局部注意力的变体。诚然，目前语言模型的诸多指标看来局部注意力的思路确实能解决长度外推问题，但这种“强行截断”的做法也许会不符合某些读者的审美，因为人工雕琢痕迹太强，缺乏了自然感，同时也让人质疑它们在非语言模型任务上的有效性。

本文我们从模型对位置编码的鲁棒性角度来重新审视长度外推性这个问题，此思路可以在基本不对注意力进行修改的前提下改进Transformer的长度外推效果，并且还适用多种位置编码，总体来说方法更为优雅自然，而且还适用于非语言模型任务。

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对于Transformer模型来说，其长度的外推性是我们一直在追求的良好性质，它是指我们在短序列上训练的模型，能否不用微调地用到长序列上并依然保持不错的效果。之所以追求长度外推性，一方面是理论的完备性，觉得这是一个理想模型应当具备的性质，另一方面也是训练的实用性，允许我们以较低成本（在较短序列上）训练出一个长序列可用的模型。

下面我们来分析一下加强Transformer长度外推性的关键思路，并由此给出一个“超强基线”方案，然后我们带着这个“超强基线”来分析一些相关的研究工作。

思维误区

第一篇明确研究Transformer长度外推性的工作应该是ALIBI，出自2021年中期，距今也不算太久。为什么这么晚（相比Transformer首次发表的2017年）才有人专门做这个课题呢？估计是因为我们长期以来，都想当然地认为Transformer的长度外推性是位置编码的问题，找到更好的位置编码就行了。

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在LLM时代还玩朴素贝叶斯（Naive Bayes）？

这可能是许多读者在看到标题后的首个想法。确实如此，当古老的朴素贝叶斯与前沿的LLM相遇时，产生了令人惊讶的效果——我们可以直接扩展现有LLM模型的Context处理长度，无需对模型进行微调，也不依赖于模型架构，具有线性效率，而且效果看起来还不错——这就是本文所提出的NBCE（Naive Bayes-based Context Extension）方法。

摸石过河

假设$T$为要生成的token序列，$S_1,S_2,\cdots,S_n$是给定的若干个相对独立的Context集合（比如$n$个不同的段落，至少不是一个句子被分割为两个片段那种），假设它们的总长度已经超过了训练长度，而单个$S_k$加$T$还在训练长度内。我们需要根据$S_1,S_2,\cdots,S_n$生成$T$，即估计$p(T|S_1, S_2,\cdots,S_n)$。

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【注：后来经过反复测试发现，发现此篇文章的长度外推结果可复现性比较不稳定（可能跟模型结构、超参数等紧密相关），请自行斟酌使用。】

万万没想到，Bias项能跟Transformer的长度外推性联系在一起！

长度外推性是我们希望Transformer具有的一个理想性质，笔者曾在《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》系统地介绍过这一问题。至于Bias项（偏置项），目前的主流观点是当模型足够大时，Bias项不会有什么特别的作用，所以很多模型选择去掉Bias项，其中代表是Google的T5和PaLM，我们后面做的RoFormerV2和GAU-α也沿用了这个做法。

那么，这两个看上去“风牛马不相及”的东西，究竟是怎么联系起来的呢？Bias项真的可以增强Transformer的长度外推性？且听笔者慢慢道来。

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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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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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回过头来看，才发现从第7篇《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》开始，“Transformer升级之路”这个系列就跟长度外推“杠”上了，接连9篇文章（不算本文）都是围绕长度外推展开的。如今，距离第7篇文章刚好是一年多一点，在这一年间，开源社区关于长度外推的研究有了显著进展，笔者也逐渐有了一些自己的理解，比如其实这个问题远不像一开始想象那么简单，以往很多基于局部注意力的工作也不总是有效，这暗示着很多旧的分析工作并没触及问题的核心。

在这篇文章中，笔者尝试结合自己的发现和认识，去“复盘”一下主流的长度外推结果，并试图从中发现免训练长度外推的关键之处。

问题定义

顾名思义，免训练长度外推，就是不需要用长序列数据进行额外的训练，只用短序列语料对模型进行训练，就可以得到一个能够处理和预测长序列的模型，即“Train Short, Test Long”。那么如何判断一个模型能否用于长序列呢？最基本的指标就是模型的长序列Loss或者PPL不会爆炸，更加符合实践的评测则是输入足够长的Context，让模型去预测答案，然后跟真实答案做对比，算BLEU、ROUGE等，LongBench就是就属于这类榜单。

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