再品 Attention Is All You Need

Abstract

文本提出一个全新的特征提取器——Transformer，其完全摒弃了循环(recurrence)和卷积(convolutions)的结构，仅仅依赖attention机制就能在多个任务上达到SOTA的效果。

Model Architecture

1. Encoder and Decoder Stacks

Encoder:

Encoder由6个相同的层堆叠而成，每个层又有两个子层：第一个子层是multi-head self-attention机制层，第二个子层是position-wise fully connected feed-forward network(FCFFN)。在每个子层，都应用了残差连接(residual connection)，然后再加一个layer normalizatoin。

Decoder:

整体上和Encoder部分相同。不同之处是：

1. 在第一个子层(multi-head self-attention)和第二个子层(position-wise FCFFN)之间，额外多了一个 multi-head self-attention层——将从Encoder传过来的结果进行multi-head attention操作，该层也叫作 Encoder-Decoder Attention。
2. 修改了第一个子层的multi-head self-attention为 masked multi-head self-attention。这里 masking的作用是，让对位置 处的预测仅仅依赖于位置 处之前的输出(其实这里我也没有搞懂masking的作用是什么...)。

那么，Transformer的整体架构如图1所示：

图1. Transformer整体架构

2. Multi-Head Self-Attention

2.1 Scaled Dot-Product Attention

Scaled Dot-Product Attention一般翻译做"缩放点积attention"。我们假定query和key的维度都为 ，value的维度为 ，query、key和value均为向量。

一般，在attention机制中，我们使用一个query和一组key做点积(dot-product)，然后再对该结果套用一个softmax得到一组权重(weights)，将该权重应用到一组value之上，得到的就是我们的attention。

在本文中，Scaled Dot-Product Attention的做法基本上和上述相同，除了多了一个将query和key的点积结果除以 的操作，即**缩放(scaled)**操作。在实际使用中query有多个，为了能同时对这些query进行attention操作，将这些query拼成一个矩阵 。同理，由keys和values我们可以得到 和 。“缩放点积attention”过程可视化为图2所示。本文的Scaled Dot-Product Attention操作可以用公式描述成如下：

原文也解释了使用"缩放"操作的原因：当 很大时， 和 的点积结果会变得很大，其方差也会很大，这会让softmax函数的梯度变得异常的小，将点积结果除以  可以抵消这个影响。这是因为，我们可以把softmax公式写成：

softmax函数是在定义域上是可微的，那么对其求导，就得到梯度：

显然无论是 还是 时，  和 都会很大( 和 的点积结果很大)，那么 都是负值且很小。

另外，原文中也探讨了additive attention和dot-product attention的异同。

图2.Scaled Dot-Product Attention

2.2 Multi-Head Attention

接下来我们阐述怎么在上面的“缩放点积attention”的基础上进行“多头attention”操作。

首先将Q、K和V进行 个不同的线性变换操作，得到， 变换矩阵 均为模型参数， 。然后对这些进行“缩放点积attention”操作，将得到的结果进行拼接(concat)。最后，对这个拼接结果进行一个线性变化操作，使用的变化矩阵是 。过程可视化为图x所示。Multi-Head Attention操作可以形式化地描述成如下：

这里进行初始线性变换的Q, K, V的 和 的长度为原始值的 ，因为最后进行了一个concat操作。另外，需要注意的是，所谓Self-Attention，是因为Q，K，V均为相同的。

图3.Multi-Head Attention

3. Position-wise FFN, Embedding and Softmax

3.1 Position-wise FFN

和其他所有的全连接层类似，这里的全连接包含了两次变化，使用的是ReLU激活函数。形式化描述如下公式：

3.2 Embedding and Softmax

作者使用了预训练的向量(learned embeddings)来表示输入和输出tokens，维度大小为 。在Decoder输出的最后，使用了一个线性映射变化和一个softmax来将输出转换为概率。此外，两个embeddings层和线性变化使用的都是同一个权重矩阵。

4. Positional Encoding

到目前为止，模型中并没有可以准确学习到序列位置信息的神经网络组件。为了能学习到序列中相对或者绝对的位置信息，实际上有两种选择：positional encoding和learned positional embedding。本文采取了前者。

在实际使用过程中，positional encoding的维度和embeddings的维度大小均设置为 ，然后会将两者相加(sum)。如图1中底部部分所示。作者对不同的频率应用sin和cos函数，公式如下：

其中， 即position，意为token在句中的位置，设句子长度为L，则   ; i 为向量的某一维度，例如 ,  出处。

Positional Encoding的每一维对应一个正弦曲线，其波长形成一个从 到10000* 的等比级数。这样做的理由是，作者认为这样可以使模型更易学习到相对位置，因为对于某个任意确定的偏移值 ，  可被表示为 的一个线性变换结果。

5. Training

在Transformer的训练过程中，也有一些很有意思的tricks，值得在这里提一提。

5.1 Warmup

本文在这里的做法是：先在模型初始训练的时候，把学习率设在一个很小的值，然后warmup到一个大学习率，后面再进行衰减。所以，刚开始是warmup的热身过程，是一个线性增大的过程，到后面才开始衰减。

5.2 Regularization

1). Residual Dropout

在前面已经叙述过，在每个网络子层处，都使用了残差连接；另外，前面没有提过的是，在Encoder和Decoder中将embeddings和positional encodings相加后的和也使用了dropout。

2). Label Smoothing

即标签平滑，目的是防止过拟合。论文中说，标签平滑虽会影响ppl(perplexity)，但能提高模型的准确率和BLEU分数。

Conclusion

1. 它本质上是一个seq2seq的结构，仅仅依赖self-attention，完全摒弃CNN和RNN；
2. Encoder中包含两个子层，第一个子层是Multi-Head Self-Attention，第二个子层是一个全连接层；
3. Decoder中包含三个子层，第一个子层是Masked Multi-Head Self-Attention，第二个子层是Encoder-Decoder Attention，第三个子层是一个全连接层；
4. 值得注意的是，上述的每个子层中，都用到了残差连接和Layer Normalizatoin；

Read More

这里推荐一些超棒的适合进阶的Transformer相关博文和知乎讨论：

博文：

1. 碎碎念：Transformer的细枝末节( https://zhuanlan.zhihu.com/p/60821628)
2. [整理] 聊聊 Transformer( https://zhuanlan.zhihu.com/p/47812375)
3. 《Attention is All You Need》浅读（简介+代码）( https://kexue.fm/archives/4765)
4. 香侬读 | Transformer中warm-up和LayerNorm的重要性探究( https://zhuanlan.zhihu.com/p/84614490)

知乎讨论：

1. 为什么Transformer 需要进行 Multi-head Attention？( https://www.zhihu.com/question/341222779/answer/814111138)
2. Transformer使用position encoding会影响输入embedding的原特征吗？( https://www.zhihu.com/question/350116316/answer/863151712)
3. 如何理解Transformer论文中的positional encoding，和三角函数有什么关系？( https://www.zhihu.com/question/347678607/answer/835053468)
4. 神经网络中 warmup 策略为什么有效；有什么理论解释么？( https://www.zhihu.com/question/338066667/answer/771252708)

Reference

Attention Is All You Need(https://arxiv.org/abs/1706.03762)

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本文转载自公众号：NLP太难了，作者小占同学

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