科学空间|Scientific Spaces

在《从熵不变性看Attention的Scale操作》、《熵不变性Softmax的一个快速推导》中笔者提出了熵不变性Softmax，简单来说就是往Softmax之前的Attention矩阵多乘上一个$\log n$，理论上有助于增强长度外推性，其中$n$是序列长度。$\log n$这个因子让笔者联系到了JL引理（Johnson-Lindenstrauss引理），因为JL引理告诉我们编码$n$个向量只需要$\mathcal{O}(\log n)$的维度就行了，大家都是$\log n$，这两者有没有什么关联呢？

熵不变性

我们知道，熵是不确定性的度量，用在注意力机制中，我们将它作为“集中注意力的程度”。所谓熵不变性，指的是不管序列长度$n$是多少，我们都要将注意力集中在关键的几个token上，而不要太过分散。为此，我们提出的熵不变性Attention形式为
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{\log_{512} n}{\sqrt{d}}QK^{\top}\right)V\label{eq:core}\end{equation}

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在机器学习中，我们经常会谈到稀疏性，比如我们经常说注意力矩阵通常是很稀疏的。然而，不知道大家发现没有，我们似乎从没有给出过度量稀疏程度的标准方法。也就是说，以往我们关于稀疏性的讨论，仅仅是直观层面的感觉，并没有过定量分析。那么问题来了，稀疏性的度量有标准方法了吗？

经过搜索，笔者发现确实是有一些可用的指标，比如$l_1/l_2$、熵等，但由于关注视角的不同，在稀疏性度量方面并没有标准答案。本文简单记录一下笔者的结果。

基本结果

狭义上来讲，“稀疏”就是指数据中有大量的零，所以最简单的稀疏性指标就是统计零的比例。但如果仅仅是这样的话，注意力矩阵就谈不上稀疏了，因为softmax出来的结果一定是正数。所以，有必要推广稀疏的概念。一个朴素的想法是统计绝对值不超过$\epsilon$的元素比例，但这个$\epsilon$怎么确定呢？

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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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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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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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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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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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正如“XXX is all you need”一样，有不少论文都以“简单得令人尴尬”命名（An Embarrassingly Simple XXX），但在笔者看来，这些论文大多数都是噱头多于实力。不过，笔者最近阅读到的一篇论文，真的让人不由得发出“简单得令人尴尬”的感叹～

论文的标题是《Finite Scalar Quantization: VQ-VAE Made Simple》，顾名思义，这是一篇旨在用FSQ（Finite Scalar Quantization）简化VQ-VAE的工作。随着生成模型、多模态LLM的逐渐流行，VQ-VAE及其后续工作也作为“图像的Tokenizer”而“水涨船高”。然而，VQ-VAE的训练本身也存在一些问题，而FSQ这篇论文则声称通过更简单的“四舍五入”就可以达到同样的目的，并且有着效果更好、收敛更快、训练更稳的优点。

FSQ真有这么神奇？接下来我们一起学习一下。

VQ

首先，我们来了解一下“VQ”。VQ全称是“Vector Quantize”，可以翻译为“向量量子化”或者“向量量化”，是指将无限、连续的编码向量映射为有限、离散的整数数字的一种技术。如果我们将VQ应用在自编码器的中间层，那么可以在压缩输入大小的同时，让编码结果成为一个离散的整数序列。

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