科学空间|Scientific Spaces

最近笔者做了一些理解和改进Transformer的尝试，得到了一些似乎还有价值的经验和结论，遂开一个专题总结一下，命名为“Transformer升级之路”，既代表理解上的深入，也代表结果上的改进。

作为该专题的第一篇文章，笔者将会介绍自己对Google在《Attention is All You Need》中提出来的Sinusoidal位置编码
\begin{equation}\left\{\begin{aligned}&\boldsymbol{p}_{k,2i}=\sin\Big(k/10000^{2i/d}\Big)\\
&\boldsymbol{p}_{k, 2i+1}=\cos\Big(k/10000^{2i/d}\Big)
\end{aligned}\right.\label{eq:sin}\end{equation}
的新理解，其中$\boldsymbol{p}_{k,2i},\boldsymbol{p}_{k,2i+1}$分别是位置$k$的编码向量的第$2i,2i+1$个分量，$d$是向量维度。

作为位置编码的一个显式解，Google在原论文中对它的描述却寥寥无几，只是简单提及了它可以表达相对位置信息，后来知乎等平台上也出现了一些解读，它的一些特点也逐步为大家所知，但总体而言比较零散。特别是对于“它是怎么想出来的”、“非得要这个形式不可吗”等原理性问题，还没有比较好的答案。

因此，本文主要围绕这些问题展开思考，可能在思考过程中读者会有跟笔者一样的感觉，即越思考越觉得这个设计之精妙漂亮，让人叹服～

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在之前的文章《Transformer升级之路：2、博采众长的旋转式位置编码》中我们提出了旋转式位置编码RoPE以及对应的Transformer模型RoFormer。由于笔者主要研究的领域还是NLP，所以本来这个事情对于笔者来说已经完了。但是最近一段时间，Transformer模型在视觉领域也大火，各种Vision Transformer（ViT）层出不穷，于是就有了问题：二维情形的RoPE应该是怎样的呢？

咋看上去，这个似乎应该只是一维情形的简单推广，但其中涉及到的推导和理解却远比我们想象中复杂，本文就对此做一个分析，从而深化我们对RoPE的理解。

二维RoPE

什么是二维位置？对应的二维RoPE又是怎样的？它的难度在哪里？在这一节中，我们先简单介绍二维位置，然后直接给出二维RoPE的结果和推导思路，在随后的几节中，我们再详细给出推导过程。

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在《Performer：用随机投影将Attention的复杂度线性化》中我们了解到Google提出的Performer模型，它提出了一种随机投影方案，可以将标准Attention转化为线性Attention，并保持一定的近似。理论上来说，只要投影的维度足够大，那么可以足够近似标准Attention。换句话说，标准Attention可以视作一个无限维的线性Attention。

本文将介绍笔者构思的另外两种将标准Attention转换为无限维线性Attention的思路，不同于Performer的随机投影，笔者构思的这两种方案都是确定性的，并且能比较方便地感知近似程度。

简要介绍

关于标准Attention和线性Attention，这里就不多做介绍了，还不了解的读者可以参考笔者之前的文章《线性Attention的探索：Attention必须有个Softmax吗？》和《Transformer升级之路：3、从Performer到线性Attention》。简单来说，标准Attention的计算方式为
\begin{equation}a_{i,j}=\frac{e^{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}{\sum\limits_j e^{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}\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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在去年的文章《Transformer升级之路：2、博采众长的旋转式位置编码》中，笔者提出了旋转位置编码（RoPE），当时的出发点只是觉得用绝对位置来实现相对位置是一件“很好玩的事情”，并没料到其实际效果还相当不错，并为大家所接受，不得不说这真是一个意外之喜。后来，在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中，笔者讨论了二维形式的RoPE，并研究了用矩阵指数表示的RoPE的一般解。

既然有了一般解，那么自然就会引出一个问题：我们常用的RoPE，只是一个以二维旋转矩阵为基本单元的分块对角矩阵，如果换成一般解，理论上效果会不会更好呢？本文就来回答这个问题。

指数通解

在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中，我们将RoPE抽象地定义为任意满足下式的方阵
\begin{equation}\boldsymbol{\mathcal{R}}_m^{\top}\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\boldsymbol{\mathcal{R}}_{n-m}\label{eq:re}\end{equation}

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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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在文章《Transformer升级之路：10、RoPE是一种β进制编码》中，我们给出了RoPE的$\beta$进制诠释，并基于进制转化的思路推导了能够在不微调的情况下就可以扩展Context长度的NTK-aware Scaled RoPE。不得不说，通过类比$\beta$进制的方式来理解位置编码，确实是一个非常美妙且富有启发性的视角，以至于笔者每次深入思考和回味之时，似乎总能从中得到新的领悟和收获。

本文将重新回顾RoPE的$\beta$进制诠释，并尝试将已有的NTK-aware Scaled RoPE一般化，以期望找到一种更优的策略来不微调地扩展LLM的Context长度。

进制类比

我们知道，RoPE的参数化沿用了Sinusoidal位置编码的形式。而不知道是巧合还是故意为之，整数$n$的Sinusoidal位置编码，与它的$\beta$进制编码，有很多相通之处。

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自从在《Transformer升级之路：11、将β进制位置进行到底》中引入混合进制的思路进一步推广了NTK-aware Scaled RoPE后，笔者感觉类似思路的效果已经达到了上限，想要更大幅度的提升就必须另辟蹊径了。这时候笔者想起了此前构思过的一个思路，该思路由于复杂度较高所以被搁置下了，既然现在已经遇到了瓶颈，那么“唯一的办法就是最好的办法”，于是便将它重拾起来。

万万没想到的是，尽管该方法增加了一些推理复杂度，但它的实验效果却惊人地好——甚至隐约有无限的长度外推能力！因此，笔者迫不及待地撰写了本文来分享该方法。由于形式上跟ReLU激活函数的相似性，所以笔者将该方法命名为“ReRoPE (Rectified Rotary Position Embeddings)”。

重温

我们知道，RoPE形式上是一种绝对位置编码，但实际上给Attention带来的是相对位置信息，即如下的Toeplitz矩阵：

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