科学空间|Scientific Spaces

2017年中，有两篇类似同时也是笔者非常欣赏的论文，分别是FaceBook的《Convolutional Sequence to Sequence Learning》和Google的《Attention is All You Need》，它们都算是Seq2Seq上的创新，本质上来说，都是抛弃了RNN结构来做Seq2Seq任务。

这篇博文中，笔者对《Attention is All You Need》做一点简单的分析。当然，这两篇论文本身就比较火，因此网上已经有很多解读了（不过很多解读都是直接翻译论文的，鲜有自己的理解），因此这里尽可能多自己的文字，尽量不重复网上各位大佬已经说过的内容。

序列编码

深度学习做NLP的方法，基本上都是先将句子分词，然后每个词转化为对应的词向量序列。这样一来，每个句子都对应的是一个矩阵$\boldsymbol{X}=(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_t)$，其中$\boldsymbol{x}_i$都代表着第$i$个词的词向量（行向量），维度为$d$维，故$\boldsymbol{X}\in \mathbb{R}^{n\times d}$。这样的话，问题就变成了编码这些序列了。

第一个基本的思路是RNN层，RNN的方案很简单，递归式进行：
\begin{equation}\boldsymbol{y}_t = f(\boldsymbol{y}_{t-1},\boldsymbol{x}_t)\end{equation}
不管是已经被广泛使用的LSTM、GRU还是最近的SRU，都并未脱离这个递归框架。RNN结构本身比较简单，也很适合序列建模，但RNN的明显缺点之一就是无法并行，因此速度较慢，这是递归的天然缺陷。另外我个人觉得RNN无法很好地学习到全局的结构信息，因为它本质是一个马尔科夫决策过程。

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很抱歉，起了这么个具有标题党特征的题目。在写完《NBCE：使用朴素贝叶斯扩展LLM的Context处理长度》之后，笔者就觉得朴素贝叶斯（Naive Bayes）跟Attention机制有很多相同的特征，后来再推导了一下发现，Attention机制其实可以看成是一种广义的、参数化的朴素贝叶斯。既然如此，“Attention is All You Need”不也就意味着“Naive Bayes is all you need”了？这就是本文标题的缘由。

接下来笔者将介绍自己的思考过程，分析如何从朴素贝叶斯角度来理解Attention机制。

朴素贝叶斯

本文主要考虑语言模型，它要建模的是$p(x_t|x_1,\cdots,x_{t-1})$。根据贝叶斯公式，我们有
\begin{equation}p(x_t|x_1,\cdots,x_{t-1}) = \frac{p(x_1,\cdots,x_{t-1}|x_t)p(x_t)}{p(x_1,\cdots,x_{t-1})}\propto p(x_1,\cdots,x_{t-1}|x_t)p(x_t)\end{equation}

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attention, please!

如今NLP领域，Attention大行其道，当然也不止NLP，在CV领域Attention也占有一席之地（Non Local、SAGAN等）。在18年初《〈Attention is All You Need〉浅读（简介+代码）》一文中，我们就已经讨论过Attention机制，Attention的核心在于$\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K},\boldsymbol{V}$三个向量序列的交互和融合，其中$\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K}$的交互给出了两两向量之间的某种相关度（权重），而最后的输出序列则是把$\boldsymbol{V}$按照权重求和得到的。

显然，众多NLP&CV的成果已经充分肯定了Attention的有效性。本文我们将会介绍Attention的一些变体，这些变体的共同特点是——“为节约而生”——既节约时间，也节约显存。

背景简述

《Attention is All You Need》一文讨论的我们称之为“乘性Attention”，目前用得比较广泛的也就是这种Attention：
\begin{equation}Attention(\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K},\boldsymbol{V}) = softmax\left(\frac{\boldsymbol{Q}\boldsymbol{K}^{\top}}{\sqrt{d_k}}\right)\boldsymbol{V}\end{equation}

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众所周知，尽管基于Attention机制的Transformer类模型有着良好的并行性能，但它的空间和时间复杂度都是$\mathcal{O}(n^2)$级别的，$n$是序列长度，所以当$n$比较大时Transformer模型的计算量难以承受。近来，也有不少工作致力于降低Transformer模型的计算量，比如模型剪枝、量化、蒸馏等精简技术，又或者修改Attention结构，使得其复杂度能降低到$\mathcal{O}(n\log n)$甚至$\mathcal{O}(n)$。

前几天笔者读到了论文《Transformers are RNNs: Fast Autoregressive Transformers with Linear Attention》，了解到了线性化Attention（Linear Attention）这个探索点，继而阅读了一些相关文献，有一些不错的收获，最后将自己对线性化Attention的理解汇总在此文中。

Attention

当前最流行的Attention机制当属Scaled-Dot Attention，形式为
\begin{equation}Attention(\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K},\boldsymbol{V}) = softmax\left(\boldsymbol{Q}\boldsymbol{K}^{\top}\right)\boldsymbol{V}\label{eq:std-att}\end{equation}
这里的$\boldsymbol{Q}\in\mathbb{R}^{n\times d_k}, \boldsymbol{K}\in\mathbb{R}^{m\times d_k}, \boldsymbol{V}\in\mathbb{R}^{m\times d_v}$，简单起见我们就没显式地写出Attention的缩放因子了。本文我们主要关心Self Attention场景，所以为了介绍上的方便统一设$\boldsymbol{Q}, \boldsymbol{K}, \boldsymbol{V}\in\mathbb{R}^{n\times d}$，一般场景下都有$n > d$甚至$n\gg d$（BERT base里边$d=64$）。

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大家知道Layer Normalization是Transformer模型的重要组成之一，它的用法有PostLN和PreLN两种，论文《On Layer Normalization in the Transformer Architecture》中有对两者比较详细的分析。简单来说，就是PreLN对梯度下降更加友好，收敛更快，对训练时的超参数如学习率等更加鲁棒等，反正一切都好但就有一点硬伤：PreLN的性能似乎总略差于PostLN。最近Google的一篇论文《RealFormer: Transformer Likes Residual Attention》提出了RealFormer设计，成功地弥补了这个Gap，使得模型拥有PreLN一样的优化友好性，并且效果比PostLN还好，可谓“鱼与熊掌兼得”了。

PostLN、PreLN和RealFormer结构示意图

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看过笔者之前的文章《线性Attention的探索：Attention必须有个Softmax吗？》和《Performer：用随机投影将Attention的复杂度线性化》的读者，可能会觉得本文的标题有点不自然，因为是先有线性Attention然后才有Performer的，它们的关系为“Performer是线性Attention的一种实现，在保证线性复杂度的同时保持了对标准Attention的近似”，所以正常来说是“从线性Attention到Performer”才对。

然而，本文并不是打算梳理线性Attention的发展史，而是打算反过来思考Performer给线性Attention所带来的启示，所以是“从Performer到线性Attention”。

激活函数

线性Attention的常见形式是
\begin{equation}Attention(\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K},\boldsymbol{V})_i = \frac{\sum\limits_{j=1}^n \text{sim}(\boldsymbol{q}_i, \boldsymbol{k}_j)\boldsymbol{v}_j}{\sum\limits_{j=1}^n \text{sim}(\boldsymbol{q}_i, \boldsymbol{k}_j)} = \frac{\sum\limits_{j=1}^n \phi(\boldsymbol{q}_i)^{\top} \varphi(\boldsymbol{k}_j)\boldsymbol{v}_j}{\sum\limits_{j=1}^n \phi(\boldsymbol{q}_i)^{\top} \varphi(\boldsymbol{k}_j)}\end{equation}

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标准Attention的$\mathscr{O}(n^2)$复杂度可真是让研究人员头大。前段时间我们在博文《Performer：用随机投影将Attention的复杂度线性化》中介绍了Google的Performer模型，它通过随机投影的方式将标准Attention转化为线性Attention。无独有偶，前些天Arxiv上放出了AAAI 2021的一篇论文《Nyströmformer: A Nyström-Based Algorithm for Approximating Self-Attention》，里边又提出了一种从另一个角度把标准Attention线性化的方案。

Nyströmformer结构示意图

该方案写的是Nyström-Based，顾名思义是利用了Nyström方法来近似标准Attention的。但是坦白说，在看到这篇论文之前，笔者也完全没听说过Nyström方法，而纵观整篇论文，里边也全是笔者一眼看上去感觉很茫然的矩阵分解推导，理解起来颇为困难。不过有趣的是，尽管作者的推导很复杂，但笔者发现最终的结果可以通过一个相对来说更简明的方式来理解，遂将笔者对Nyströmformer的理解整理在此，供大家参考。

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当前Transformer架构用的最多的注意力机制，全称为“Scaled Dot-Product Attention”，其中“Scaled”是因为在$Q,K$转置相乘之后还要除以一个$\sqrt{d}$再做Softmax（下面均不失一般性地假设$Q,K,V\in\mathbb{R}^{n\times d}$）：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{QK^{\top}}{\sqrt{d}}\right)V\label{eq:std}\end{equation}

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经初步解释了除以$\sqrt{d}$的缘由。而在这篇文章中，笔者将从“熵不变性”的角度来理解这个缩放操作，并且得到一个新的缩放因子。在MLM的实验显示，新的缩放因子具有更好的长度外推性能。

熵不变性

我们将一般的Scaled Dot-Product Attention改写成
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_{j=1}^n a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\quad a_{i,j}=\frac{e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}{\sum\limits_{j=1}^n e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}\end{equation}
其中$\lambda$是缩放因子，它跟$\boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j$无关，但原则上可以跟长度$n$、维度$d$等参数有关，目前主流的就是$\lambda=1/\sqrt{d}$。

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