科学空间|Scientific Spaces

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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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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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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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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在文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们推导了一版具有熵不变性质的注意力机制：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{\kappa \log n}{d}QK^{\top}\right)V\label{eq:a}\end{equation}
可以观察到，它主要是往Softmax里边引入了长度相关的缩放因子$\log n$来实现的。原来的推导比较繁琐，并且做了较多的假设，不利于直观理解，本文为其补充一个相对简明快速的推导。

推导过程

我们可以抛开注意力机制的背景，直接设有$s_1,s_2,\cdots,s_n\in\mathbb{R}$，定义
$$p_i = \frac{e^{\lambda s_i}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{\lambda s_i}}$$

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不知道大家留意到一个细节没有，就是当前NLP主流的预训练模式都是在一个固定长度（比如512）上进行，然后直接将预训练好的模型用于不同长度的任务中。大家似乎也没有对这种模式有过怀疑，仿佛模型可以自动泛化到不同长度是一个“理所应当”的能力。

当然，笔者此前同样也没有过类似的质疑，直到前几天笔者做了Base版的GAU实验后才发现GAU的长度泛化能力并不如想象中好。经过进一步分析后，笔者才明白原来这种长度泛化的能力并不是“理所当然”的......

模型回顾

在《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中，我们介绍了“门控注意力单元GAU”，它是一种融合了GLU和Attention的新设计。

除了效果，GAU在设计上给我们带来的冲击主要有两点：一是它显示了单头注意力未必就逊色于多头注意力，这奠定了它“快”、“省”的地位；二是它是显示了注意力未必需要Softmax归一化，可以换成简单的$\text{relu}^2$除以序列长度：
\begin{equation}\boldsymbol{A}=\frac{1}{n}\text{relu}^2\left(\frac{\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}}{\sqrt{s}}\right)=\frac{1}{ns}\text{relu}^2\left(\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}\right)\end{equation}

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在上一篇文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们从熵不变性的角度推导了一个新的Attention Scale，并且实验显示具有熵不变性的新Scale确实能使得Attention的外推性能更好。这时候笔者就有一个很自然的疑问：

有没有类似L2 Normalization之类的操作，可以直接对概率分布进行变换，使得保持原始分布主要特性的同时，让它的熵为指定值？

笔者带着疑问搜索了一番，发现没有类似的研究，于是自己尝试推导了一下，算是得到了一个基本满意的结果，暂称为“熵归一化（Entropy Normalization）”，记录在此，供有需要的读者参考。

幂次变换

首先，假设$n$元分布$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$，它的熵定义为
\begin{equation}\mathcal{H} = -\sum_i p_i \log p_i = \mathbb{E}[-\log p_i]\end{equation}

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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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