科学空间|Scientific Spaces

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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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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在矩阵压缩这个问题上，我们通常有两个策略可以选择，分别是低秩化和稀疏化。低秩化通过寻找矩阵的低秩近似来减少矩阵尺寸，而稀疏化则是通过减少矩阵中的非零元素来降低矩阵的复杂性。如果说SVD是奔着矩阵的低秩近似去的，那么相应地寻找矩阵稀疏近似的算法又是什么呢？

接下来我们要学习的是论文《Monarch: Expressive Structured Matrices for Efficient and Accurate Training》，它为上述问题给出了一个答案——“Monarch矩阵”，这是一簇能够分解为若干置换矩阵与稀疏矩阵乘积的矩阵，同时具备计算高效且表达能力强的特点，论文还讨论了如何求一般矩阵的Monarch近似，以及利用Monarch矩阵参数化LLM来提高LLM速度等内容。

Monarch矩阵形式M=PLPR

值得指出的是，该论文的作者也正是著名的Flash Attention的作者Tri Dao，其工作几乎都在致力于改进LLM的性能，这篇Monarch也是他主页上特意展示的几篇论文之一，单从这一点看就非常值得学习一番。

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之前在《Transformer升级之路：3、从Performer到线性Attention》、《为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？》等文章中，我们从Attention矩阵的“秩”的角度探讨了Attention机制，并曾经判断线性Attention不如标准Attention的关键原因正是“低秩瓶颈”。然而，这一解释对于双向的Encoder模型或许成立，但却难以适用于单向的Decoder模型，因为Decoder的Attention矩阵的上三角部分是被mask掉的，留下的下三角矩阵必然是满秩的，而既然都是满秩了，那么低秩瓶颈问题似乎就不复存在了。

所以，“低秩瓶颈”并不能完全解释线性Attention的能力缺陷。在这篇文章中，笔者试图寻求另一个角度的解释。简单来说，与标准Attention相比，线性Attention更难“集中注意力”，从而难以准确地定位到关键token，这大概是它效果稍逊一筹的主要原因。

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深度学习这个箱子，远比我们想象的要黑。

写在开头

据说物理学家费曼说过一句话^[来源]：“谁要是说他懂得量子力学，那他就是真的不懂量子力学。”我现在越来越觉得，这句话中的“量子力学”也可以替换为“深度学习”。尽管深度学习已经在越来越多的领域证明了其有效性，但我们对它的解释性依然相当无力。当然，这几年来已经有不少工作致力于打开深度学习这个黑箱，但是很无奈，这些工作基本都是“马后炮”式的，也就是在已有的实验结果基础上提出一些勉强能说服自己的解释，无法做到自上而下的构建和理解模型的原理，更不用说提出一些前瞻性的预测。

本文关注的是自注意力机制。直观上来看，自注意力机制算是解释性比较强的模型之一了，它通过自己与自己的Attention来自动捕捉了token与token之间的关联，事实上在《Attention is All You Need》那篇论文中，就给出了如下的看上去挺合理的可视化效果：

《Attention is All You Need》一文中对Attention的可视化例子

但自注意力机制真的是这样生效的吗？这种“token对token”的注意力是必须的吗？前不久Google的新论文《Synthesizer: Rethinking Self-Attention in Transformer Models》对自注意力机制做了一些“异想天开”的探索，里边的结果也许会颠覆我们对自注意力的认知。

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在文章《训练1000层的Transformer究竟有什么困难？》发布之后，很快就有读者问到如果将其用到《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中的“门控注意力单元（GAU）”，那结果是怎样的？跟标准Transformer的结果有何不同？本文就来讨论这个问题。

先说结论

事实上，GAU是非常容易训练的模型，哪怕我们不加调整地直接使用“Post Norm + Xavier初始化”，也能轻松训练个几十层的GAU，并且还不用Warmup。所以关于标准Transformer的很多训练技巧，到了GAU这里可能就无用武之地了...

为什么GAU能做到这些？很简单，因为在默认设置之下，理论上$\text{GAU}(\boldsymbol{x}_l)$相比$\boldsymbol{x}_l$几乎小了两个数量级，所以
\begin{equation}\boldsymbol{x}_{l+1} = \text{LN}(\boldsymbol{x}_l + \text{GAU}(\boldsymbol{x}_l))\approx \boldsymbol{x}_l\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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最近几周笔者一直都在思考注意力机制的相关性质，在这个过程中对注意力及Softmax有了更深刻的理解。在这篇文章中，笔者简单分享其中的两点：

1、Softmax注意力天然能够抵御一定的噪声扰动；

2、从信息熵角度也可以对初始化问题形成直观理解。

鲁棒性

基于Softmax归一化的注意力机制，可以写为
\begin{equation}o = \frac{\sum\limits_{i=1}^n e^{s_i} v_i}{\sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}}\end{equation}
有一天笔者突然想到一个问题：如果往$s_i$中加入独立同分布的噪声会怎样？

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