科学空间|Scientific Spaces

持续将“Transformer升级之路”系列关注到本篇的读者，想必都已经对旋转位置编码（RoPE）有所了解。简单来说，RoPE是施加在Attention的Query（$\boldsymbol{Q}$）和Key（$\boldsymbol{K}$）上的旋转变换，形式上属于绝对位置编码，但结合Attention的内积（Dot-Product）特性，能够自动实现相对位置的效果。

那么，RoPE可以加在Value（$\boldsymbol{V}$）上吗？看上去不可以，因为对$\boldsymbol{V}$旋转后就不是相对位置编码了。然而事情并没有那么绝对，本文就来讨论加在$\boldsymbol{V}$上RoPE，我们可以称之为“第二类旋转位置编码”。

基础回顾

我们将Dot-Product Attention分解为

$$\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_j a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\qquad a_{i,j} = \frac{e^{s_{i,j}}}{\sum\limits_j e^{s_{i,j}}},\qquad s_{i,j} = \boldsymbol{q}_i^{\top}\boldsymbol{k}_j\end{equation}$$

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在前面的文章中，我们曾表达过这样的观点：多模态LLM相比纯文本LLM的主要差异在于，前者甚至还没有形成一个公认为标准的方法论。这里的方法论，不仅包括之前讨论的生成和训练策略，还包括一些基础架构的设计，比如本文要谈的“多模态位置编码”。

对于这个主题，我们之前在《Transformer升级之路：17、多模态位置编码的简单思考》就已经讨论过一遍，并且提出了一个方案（RoPE-Tie）。然而，当时笔者对这个问题的思考仅处于起步阶段，存在细节考虑不周全、认识不够到位等问题，所以站在现在的角度回看，当时所提的方案与完美答案还有明显的距离。

因此，本文我们将自上而下地再次梳理这个问题，并且给出一个自认为更加理想的结果。

多模位置

多模态模型居然连位置编码都没有形成共识，这一点可能会让很多读者意外，但事实上确实如此。对于文本LLM，目前主流的位置编码是RoPE（RoPE就不展开介绍了，假设读者已经熟知），更准确来说是RoPE-1D，因为原始设计只适用于1D序列。后来我们推导了RoPE-2D，这可以用于图像等2D序列，按照RoPE-2D的思路我们可以平行地推广到RoPE-3D，用于视频等3D序列。

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众所周知，目前主流的LLM，都是基于Causal Attention的Decoder-only模型（对此我们在《为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？》也有过相关讨论），而对于Causal Attention，已经有不少工作表明它不需要额外的位置编码（简称NoPE）就可以取得非平凡的结果。然而，事实是主流的Decoder-only LLM都还是加上了额外的位置编码，比如RoPE、ALIBI等。

那么问题就来了：明明说了不加位置编码也可以，为什么主流的LLM反而都加上了呢？不是说“多一事不如少一事”吗？这篇文章我们从三个角度给出笔者的看法：

1、位置编码对于Attention的作用是什么？

2、NoPE的Causal Attention是怎么实现位置编码的？

3、NoPE实现的位置编码有什么不足？

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我们知道，在RoPE中频率的计算公式为$\theta_i = b^{-2i/d}$，底数$b$默认值为10000。目前Long Context的主流做法之一是，先在$b=10000$上用短文本预训练，然后调大$b$并在长文本微调，其出发点是《Transformer升级之路：10、RoPE是一种β进制编码》里介绍的NTK-RoPE，它本身有较好长度外推性，换用更大的$b$再微调相比不加改动的微调，起始损失更小，收敛也更快。该过程给人的感觉是：调大$b$完全是因为“先短后长”的训练策略，如果一直都用长文本训练似乎就没必要调大$b$了？

上周的论文《Base of RoPE Bounds Context Length》试图回答这个问题，它基于一个期望性质研究了$b$的下界，由此指出更大的训练长度本身就应该选择更大的底数，与训练策略无关。整个分析思路颇有启发性，接下来我们一起来品鉴一番。

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在这个系列的第二篇文章《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）——通过绝对位置的形式实现相对位置编码的方案。一开始RoPE是针对一维序列如文本、音频等设计的（RoPE-1D），后来在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中我们将它推广到了二维序列（RoPE-2D），这适用于图像的ViT。然而，不管是RoPE-1D还是RoPE-2D，它们的共同特点都是单一模态，即纯文本或者纯图像输入场景，那么对于多模态如图文混合输入场景，RoPE该做如何调整呢？

笔者搜了一下，发现鲜有工作讨论这个问题，主流的做法似乎都是直接展平所有输入，然后当作一维输入来应用RoPE-1D，因此连RoPE-2D都很少见。且不说这种做法会不会成为图像分辨率进一步提高时的效果瓶颈，它终究是显得不够优雅。所以，接下来我们试图探寻两者的一个自然结合。

旋转位置

RoPE名称中的“旋转”一词，来源于旋转矩阵$\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\begin{pmatrix}\cos n\theta & -\sin n\theta\\ \sin n\theta & \cos n\theta\end{pmatrix}$，它满足

$$\begin{equation}\boldsymbol{\mathcal{R}}_m^{\top}\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\boldsymbol{\mathcal{R}}_{n-m}\end{equation}$$

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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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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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在上一篇文章《Transformer升级之路：13、逆用Leaky ReRoPE》中，笔者尝试通过在训练阶段逆用Leaky ReRoPE的思路，使得推理阶段的位置编码变为正常的RoPE，从而在达到长度外推的同时解决ReRoPE推理变慢的缺点。遗憾的是，从实验结果来看，“Leaky ReRoPE → RoPE”的效果并不如“RoPE → ReRoPE/Leaky ReRoPE”，因此这个问题尚未完全解决。

此时，笔者想到此前在《Transformer升级之路：9、一种全局长度外推的新思路》提出的HWFA本身就具有一定的长度外推能力，如果跟ReRoPE“强强联合”，是否会有更好的效果？更关键是，HWFA的加入可以大幅度降低推理成本，从而弥补ReRoPE的不足！

温故

首先，“例行公事”地回顾一下HWFA。HWFA（Hybird Window-Full Attention）并非一个具体的模型，而是一种Attention的组合方式，能够在基本保持效果不变的前提下，增强Attention模型的长度外推能力，同时还能降低训练和推理成本。

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