Transformer介绍（二）：注意力机制

transformer是大语言模型的核心技术之一，它首次出现于2017年的一篇著名论文《Attention Is All You Need》，论文原文：https://arxiv.org/abs/1706.03762

看过我上篇文章《Transformer介绍（一）》的都知道，模型的目标是接收一段文本，预测下一个词。输入的文本被切分成很多小块，每个小块是一个token，通常是单词、单词片段或符号。

为了便于理解，我们简化一下，将token视为单词。transformer的第一步是将每个token关联到高维向量，即embedding（嵌入向量）。

 在所有可能的嵌入向量构成的高维空间中，方向可以对应语义。例如，方向对应性别，在该空间中，加上一个方向，就能将男性名词嵌入，转到对应女性名词的嵌入。

在高维空间中，还有很多的方向可以对应多种词义。transformer的目标是逐步调整这些嵌入(embedding)，使它们不仅编码（encode）每个词，还能融入更丰富的上下文含义。

比如，mole在不同的语境有不同的含义。transformer的第一步切分文本，并将每个token对应一个向量，此时三个mole对应的都是同一个向量，因为初始的token嵌入没有参照上下文查找表。

接下来周围的信息传递到该嵌入向量。嵌入空间中有多个方向，编码了mole这个词多种不同的含义。

 

训练的好的attention blocks能计算出给generic embedding加什么向量，才能把它移动到上下文对应的具体方向上。

attention blocks不仅精细化了一个词的含义，还让模型相互传递这些嵌入向量所包含的信息。

所有的向量流经网络后，经过了很多层的attention blocks，此时预测下一个token的计算过程，完全基于序列中最后一个向量。

每个词的初始嵌入是一个高维向量，只编码了该单词的含义，没有关联上下文。然后还编码了词的位置信息，现在可以知道词是什么，以及在文中的什么位置。

用E表示这些嵌入向量，目标是通过一系列的计算产生一组新的更精确的嵌入向量。比如那些经过形容词修饰的名词，所对应的向量。

在深度学习中，我们希望多数计算都是矩阵向量乘法，其中矩阵填满了可调的参数，需要模型基于数据学习后调整。模型的实际行为往往很难解释，因为它是通过调整大量参数来最小化代价函数。

当逐一分析这些带有参数的矩阵时，为了帮助理解，我们设想出一个具体的行为。

第一步，可以想成是每个名词（如creature），问，我前面有形容词吗？然后前面的 fluffy 和 blue 回答，我就是形容词。

这样的提问被编码为另一个向量，即另一组数字，我们称它为这个词的查询。查询向量的维度比嵌入向量小很多，只有128维。

 要计算查询向量Q，先取一个矩阵，记为，再乘以嵌入向量E。

把查询矩阵分别与文中的所有embedding（嵌入向量）相乘 ，即给每个token算出一个查询矩阵。这个矩阵内部的数值都是模型的参数，具体的行为模式都是从数据中学习的。

这个矩阵在某个注意力头中的作用，有点难以理解。为了方便起见，想象一个它能学会的例子。假设这个查询矩阵，将嵌入空间中的名词，映射到较小的查询空间中的某个方向，用向量来编码”寻找前置形容词“的概念。至于非名词的嵌入会怎样，谁知道呢？现在我们只关注名词。

同时我们还需要第二个矩阵，即键矩阵（key matrix），也会与每个嵌入向量（embedding）相乘，产生第二个向量序列，称为键（key）。从概念上讲，可以把 键 视为想要回答 查询 。

 这个键矩阵也充满了可调参数，跟查询矩阵一样，它也会将嵌入向量映射到相同的低维度空间。 当键与查询的方向对齐时，可以认为它们相匹配。

就本例而言，键矩阵会将形容词fluffy和blue映射到名词creature对应的查询向量高度对齐的方向上。为了衡量每个键与每个查询的匹配程度，我们要计算所有可能的【键-查询】之间的点积。可以想象成充满圆点的网格，圆点越大，点积就越大，键与查询就越对齐。

如果由fluffy和blue生成的键，确实与creature所产生的查询高度对齐，那么这2个位置的点积就会是较大的正数，用机器学习中的术语说，fluffy和blue的嵌入（embedding）注意（attention）到了creature的嵌入（embedding）。反过来，the等词的键与creature的查询之间的点积是较小值或负值，也就是这两个词互不相关。网格中的值，可以是负无穷到正无穷的任何实数。表示的是每个词与其他词含义有多相关。这些分数的用法，是对每一列进行加权求和。权重为相关性，这样数值就不能是负无穷到正无穷，而是要介于0到1之间，并且每列总和为1，就像概率分布一样。

对每列应用softmax函数进行归一化，然后填入网格，此时就能将每一列看作权重，表示左侧的键与顶部的查询的相关度。我们称这个网格为注意力模式（attention pattern）。

 

原版的transformer论文里用了一种非常简洁的写法。这里的Q和K分别包含了所有的查询向量和键向量。即通过将嵌入向量与查询矩阵和键矩阵相乘，得到小向量。

 

分子中的表达式非常简洁的表示了所有可能的键-查询 之间点积的网格。为了数值稳定性，将所有点积除以 键-查询 空间维度的平方根。然后整个表达式外层的softmax函数，应理解为逐列的计算。

 

在训练过程中，对给定文本运行模型时，模型会根据正确预测出下一个词的概率高低，来进行奖惩，并稍微调整各个权重。 而效率更高的一种方法是，让它同时预测，每个初始token子序列之后， 所有可能的下一个token。比如之前这个短语 the fluffy blue creature，它可以同时预测creature的下一个词，以及the的下一个词。

这样，一个训练样本就能提供多次训练机会。就注意力模式而言，这意味着不能让后词影响前词，不然就会泄露接下来的答案。所以希望这些代表着后面token影响前面的位置，能被强制变为0。你可能会想将它们直接设为0，但这样，每列总和就不是1了，不再是归一化了。所以常见的方法是，在应用softmax之前，先把它们设为负无穷，这样应用softmax后，它们就都会变为0，且列仍保持归一化。这一过程称为掩码（masking）。

也有的注意力机制，不应用掩码，在我们的GPT示例中，尽管掩码在训练阶段比运行阶段更重要。例如当作聊天机器人运行时，有两个阶段都会采用掩码，以避免后方token影响到前方的token。

注意力模式，其大小等于上下文长度的平方，这就是为什么上下文长度会成为大语言模型的巨大瓶颈。而扩大上下文长度，也绝非易事。可想而知，出于对上下文窗口的渴求，近来年，注意力机制出现了一些变体。Sparse Attention Mechanisms 、Blockwise Attention 、Linformer、Reformer、Ring Attention 、Longformer、Adaptive Attention Span等，旨在使上下文更具扩展性。

计算注意力模式，就能让模型推断出，每个词与其他哪些词相关；然后再去更新嵌入向量，把各个词的信息传递给与之相关的其他词。例如，让fluffy的embedding改变creature的embedding，使其移动到12000多维嵌入空间的另一个方向，从而更具体的编码（encode）fluffy creature。

多头注意力(Mutil-headed attention)

对于多头注意力，方法略有不同，会用到第三个矩阵，我们称之为值矩阵（Value Matrix）。将它乘以前面词的嵌入，得到的结果是值向量。这也是你要给后词的嵌入，所加的向量。因此，这个值向量与嵌入向量处于同一个高维空间。

值矩阵乘以一个词的嵌入向量，可以理解为，如果这个词要调整目标词的含义，那么要反应这一点，得对目标词的嵌入加上什么向量呢？

   值向量可以认为是与对应的键向量相关联，对于网格中的每一列，给每个值向量乘以该列的对应权重。例如，对于creature一词的嵌入，要加上fluffy和blue的值向量的大部分比例，而其他词的值向量的比例等于0或趋近于0。

最后，为了更新该列对应的嵌入向量，也就是最初没有上下文含义的creature的词嵌入，要做的是，将该列中所有带权值向量加和，得到想要引入的变化量，记为，然后把它加到原始嵌入向量上，预期是能得到一个更精准的向量，编码了更丰富的上下文信息。比如a fluffy blue creature

当然，不能只对一个嵌入进行处理，而是对所有列分别进行加权求和，得到一系列变化量，将所有的变化量加到对应的嵌入向量上，从而通过注意力模块，得到一系列更精准的嵌入向量。整个过程就是单头注意力机制（single head of attention）。

这个过程由三种充满了可调参数的矩阵实现，即Query、Key和Value。

上篇文章中讲到GPT-3模型本身的总参数量，键矩阵和查询矩阵各有12288列对应嵌入维度，128行对应较小的 键-查询 空间维度，这样就各有约150万个参数。而对于值矩阵，它是一个12288列和12288行的方阵，因为它的输入和输出都存在高维的嵌入空间，12,288x12,288=150,994,994，也就是增加约1.5亿个参数。

 

设计上，值矩阵的参数量可以比键矩阵和查询矩阵多几个数量级，但实际上更为高效的做法是，让值矩阵所需要的参数量，等于键矩阵和查询矩阵的参数量之和。 对于并行运行多个注意力头来说，这点非常重要。

具体做法是，将值矩阵分解为2个小矩阵相乘；从概念上讲，建议把它整体视为一个线性映射。输入和输出都在这个高维的嵌入空间。

例如，把blue的嵌入向量，映射到相加后，把名词变蓝 的向量。实践上分两步，下图中第二个矩阵的行数较少，通常等于键-查询 空间的维度，可以看做是将较大的嵌入向量降维到较小的空间，暂记为Value↓矩阵。下图中的第一个矩阵，则是从小空间映射回嵌入空间，得到的是用于实际更新的向量，暂记为Value↑矩阵。在线性代数中，这种操作的实质是，对最大矩阵进行低秩分解。

全加起来，一个注意力头包含约630万个参数。

 目前讨论的都是自注意力（self-attention）的 头，与其他模型中的变体 交叉注意力（cross- attention）头有所不同。交叉注意力涉及的模型会处理两种不同类型的数据，比如原文与正在被翻译出来的原文，或是语音音频与正在被转录出来的文字。

交叉注意力和自注意力几乎相同，唯一的区别是，键和查询矩阵作用于不同的数据集。 例如，文本翻译模型中，键可能来自于一种语言，而查询则来自另一种语言，这个注意力模式就可以描述，一种语言中的哪些词对应另一种语言中的哪些词。在这种情况下，通常不会用到掩码，因为不存在后面token影响前面token的问题。

接下来，就是多次重复这个过程。在本文的例子中，关注的是形容词更新名称的含义，但实际上下文影响词义的方式多种多样，例如，【他撞毁了车】，他们撞毁了出现在车之前，这意味着对车的形状和结构发生了改变。

还有很多联系不是语法层面上的，例如，【巫师】和【Harry】出现在同一段话中，就表明它很有可能是指【哈利·波特】，而如果这段话中出现了【女王】、【萨塞克斯】、【威廉】等词， 那么【Harry】的词嵌入也许该更新到【哈里王子】方向。

对于你能想象到的每一种不同的上下文更新方式，键矩阵和查询矩阵的参数都会有所改变，以捕获不同的注意力模式，而值矩阵的参数也会因嵌入的更新值不同而改变。

这些矩阵实际情况下的真实情况难以解释，无论如何，权重已被训练完成，能让模型高效预测下一个token。

Transformer内完整的注意力模块，是由多头注意力组成，大量并行的执行这些操作，而每个头都有不同的键、查询、值矩阵。例如，GPT-3每个模块内使用96个注意力头，这意味着有96个不同的键和查询矩阵，产生96种不同的注意力模式，然后每个注意力头都有独特的值矩阵，用来产生96个值向量序列，全部都将以对应注意力模式作为权重，分别进行加权求和。即对应上下文中的每个位置，也就是每个token，每个头都会给出一个，要加入到该位置的嵌入中的变化量。

而咱们要做的就是，把各个头给出的变化量加起来，然后给该位置的初始嵌入加上这个加和。这个总和，就是多头注意力模块输出的一列，也就是这个通过模块，能够得到一个更精准的嵌入。

 总的来说，通过并行多头运算，模型能学习到根据上下文来改变语义的多种方式。

继续统计参数量，一共有96个头，每个头都包含这4个矩阵，每个多头注意力模块最终会有约6亿个参数。

前面说到，值矩阵被分解为2个小矩阵相乘，我们暂且记为Value↑矩阵和Value↓矩阵。每个注意力头都会有这对矩阵，这种设计是可行的。在一些论文或实际的实现方式中会有些不同。这些Value↑矩阵会合在一起被称作输出矩阵，与整个多头注意力模块相关联。而单个注意力头的值矩阵，则单指第一步的矩阵，即将嵌入向量投影到低维度空间的Value↓矩阵。

 抛开技术上的细微差别，我们知道，流经transformer的数据，并不只是经过单个注意力模块。

首先，它之后还会经过多层感知器模块；

其次，它还会多次重复这两种操作。这意味着，某些词吸收了上下文信息后，含义细致的嵌入向量还有更多机会被周围含义细致的词语所影响。 越是接近网络的深处，每个嵌入就会从其他嵌入中，吸收越多的含义，使得嵌入本身也越来越丰富细致。 对于输入的内容，这样能提炼出更高级、更抽象的概念，而不仅仅只是修饰和语法结构，也许还包括情感、语气和诗意，以及话题涉及的科学原理等。

再次回到计数表，GPT-3包含96个不同的层，因此，键、查询、值的参数总数还得再乘以96，使得所有注意力头的参数总数约580亿个。

这约占网络总参数量1750亿的三分之一，尽管注意力机制吸引了所有的注意力，但实际上更多的参数来自于其间的模块。 

 注意力机制成功的主要原因，并不在于它能实现什么特定的行为，而是它的可并行性，这样就能让GPU在短时间内进行大量计算。

在过去一二十年里，深度学习的一个重要经验是，仅靠扩大模型规模就能为模型性能带来质的飞跃；而可并行架构的巨大优势，就在于能轻易扩大规模。

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