【论文解析】Transformer浅析（Attention is All You Need）_transformer做特征提取,泛化能力特别弱怎么办

Attention is All You Need作为NLPer必须反复阅读和深刻理解的经典论文，提出了Transformer这样一个效果优异的特征抽取器，被广泛应用于后续的预训练模型。

网络上关于Transformer的优秀解读很多，本文仅记录了本人的一些思考和理解。

一、模型架构解读

Transformer是基于经典的机器翻译Seq2Seq框架提出的，区别在于Encoder和Decoder中大量使用attention机制提取信息。

1.1 Encoder

Encoder的底层为类似于词向量的embedding层，然后接6层Multi-Head Attention和Position Forward的堆叠。

• Embedding

在Transformer中，embedding包括两部分：预训练的词向量，以及表示token位置信息的position embedding。因为self-attention机制本身并不考虑词序的影响，因此必须引入position embedding。论文对比了预定义的position embedding和学习得到的embedding值，发现效果相当。为了方便，以及长文本的外插，采用简单的三角函数的表达形式：
$$P{E}_{(pos,2i)}=\sin (pos/10000^{2i/d_{model}});P{E}_{(pos,2i+1)}=\cos (pos/10000^{2i+1/d_{model}})$$+ Multi-Head self Attention

通过self-attention的方式得到输入sequence中各token间的信息，同时采用多头机制保证了子空间特征抽取的多样性。

每层的每个Head内均有待训练$W^Q,W^K,W^V$矩阵用于将embedding转化为对应的query，key和value（详见浅析NLP中的Attention技术），通过矩阵运算保证了计算速度：$$Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}})V$$

• Position Forward

Position Forward是一个简单的2层全连接前向网络：
$$FFN(x)=\max (0,x{W}_1+b_1)W_2+b_2$$

每一层的每个Head的Attention后接着的Position Forward权重共享，分别作用于各token。然后将各head同一个token得到的结果进行拼接，作为下一层encoder的输入。

• add&layer normalization

为了信息的流动和BP的顺利，Transformer在各self-embedding和position forward中均采用了add&layer normalization的short-cut。

1.2 Decoder

Decoder的整体结构和Encoder非常类似，同样是embedding层，然后接6层Multi-Head Attention和Position Forward的堆叠，最后再接一个LC+softmax层用于每个时间步output token的计算。

• 相同模块

其中，Embedding、Multi-Head self Attention、Position Forward和 add&layer normalization的基本机制与Encoder基本相同。但值得注意的是Decoder阶段是序列的生成过程，其无法进行并行，同时在self-attention时必须仅对已知token进行计算，而对后续位置的token进行屏蔽。

• encode-decode attention

为了达到seq2seq中attention的效果，在每个Multi-Head self Attention和Position Forward模块之间，还引入了encode-decode attention，其中encoder的K,V来源于Encoder模块的最后一层，而Q来源于Decoder的上一层。

• fc+softmax

在每个token的推断中，采用经典的fc+softmax进行计算，为了缩减计算量同时避免直接取max的粗糙，Transformer采用了beam search的策略，输出序列的长度上限设置为输入序列长度长度+50。

二、一些容易忽略的细节

2.1 非线性计算

Transformer中的的部分计算均为线性变换，模型的非线性体现在两个方面：
（1）FFN中的relu激活函数；
（2）Decoder中 fc+softmax的softmax操作。

2.2 计算复杂度

论文从complexity per layer、sequence operations和maximum path length三个维度对比了CNN、RNN和self-attention（包括global和local）三种特征抽取器的计算性能，其中$n$为序列长度，$d$为embedding维度，$k$为CNN的kernel大小，$r$为local self-attention的window size。
（1）complexity per layer
可以理解为每层网络的计算复杂度。
对于CNN，考虑TextCNN操作，其计算复杂度为$n\ast k\ast d_{in}\ast k_{out}$，可写成$O(k\ast n\ast d^2)$；

对于RNN，其沿着序列化操作，其计算复杂度为$n\ast (d_{in}\ast d_h+d_h+d_h)$，可写成$O(n\ast d^2)$

对于self-attention，每两个token之间进行内积计算，其计算复杂度为$C_{n^2}\ast d$，可写成$O(n^2\ast d)$

若考虑self-attention的local化，则可简化为$O(k\ast n\ast d)$

（2）Sequence operation

即算法所计算涉及到的序列长度，其越长表示可并行化程度越差。

除了RNN网络，无论CNN还是self-attention均不涉及序列操作，所以均为$O(1)$。

（3）maximum path length

即数据在前向或反向中涉及到的相关神经元的长度，类似于CNN中的感受野。

对于CNN，如果采用空洞卷积，可写成$O({\log }_{k}n)$

对于RNN，为整个序列长度，可写成$O(n)$

对于self-attention，其无视距离，可写成$O(1)$

而对于local化的self-attention，其output取决于窗口大小为r的sequence，对应的maximum path length可写成$O(n/r)$

2.3 embedding权重共享

Transformer在两个地方对embedding权重进行了共享。

（1）Decoder中embedding层和fc层网络的共享，从而方便了计算和迭代。

（2）encoder和decoder间的embedding权重共享。在5.1节English-Germain机器翻译数据集的训练中，采用了byte-pair的分词方式，此时源语言和目标语言间的token-embedding层是共享一张大词表的。

2.4 attention中的mask操作

整个Transformer中包含三种类型的attention：
（1）Encoder的self-attention；
（2）Decoder中的self-attention；
（3）Decoder中的encode-decoder attention。

这三种类型的attention均涉及到mask操作，但目的并不相同。

在Encoder的self-attention，考虑到batch的并行化，通常会进行padding，因此会对序列中mask=0的token进行mask后在进行attention score的softmax归一化。

在Decoder中的self-attention，为了避免预测时后续tokens的影所以必须令后续tokens的mask=0，其具体做法为构造一个三角矩阵。

在Decoder中的encode-decoder attention中，涉及到decoder中当前token与整个encoder的sequence的计算，所以encoder仍然需要考虑mask。

综上，无论对于哪个类型的attention，在进行sotmax归一化前，都需要考虑mask操作。

2.5 position embedding的选择

Transformer对比了position embedding的效果，选择了三角函数的预定义模型。之所以这样选择，文章解释是为了让相对位置下的token间可以进行线性计算，用公式来解释就是：

$P{E}_{(pos+k,2i)}=\sin ((pos+k)/10000^{2i/d_{model}})=\sin (pos/10000^{2i/d_{model}})\cos (k/10000^{2i/d_{model}})+\cos (pos/10000^{2i/d_{model}})\sin (k/10000^{2i/d_{model}})$

2.6 优化器设置

Transformer在基于机器翻译任务进行训练时，优化器采用了Adam，lr的更新采用了自定义的warm-up策略：
$$Lr=d_{model}^{-0.5}\ast \min (ste{p}_{num}^{-0.5},ste{p}_{num}\ast warmu{p}_{steps}^{-1.5})$$

而warm-up也是bert等预训练模型进行fine-tune的标准策略。

2.7 正则化设置

为了提高Transformer的泛化能力，Transformer训练时采用了大量的正则化策略：
（1）在Encoder和Decoder的Embedding输入层中均采用了drop out；
（2）在各Multi-Head Attention以及Position Forward进行Add&Normalization前，均对对应的输出值进行了drop out；
（3）在Decoder的predict阶段，采用了label smoothing的策略，降低了输出的置信度，虽然perplexity值有所降低，但提高了准确率和 BLEU值。

2.8 Layer Normalization

Layer Normalization是作用于每个时序样本的归一化方法，其作用主要体现在：
（1）作用于非线性激活函数前，能够将输入拉离激活函数非饱（防止梯度消失）和非线性区域（保证非线性）；
（2）保证样本输入的同分布。

在CNN类模型中，常用的归一化方法是Batch Normalization，即统计和学习跨样本各通道内的归一化方法；RNN类模型中，或者更一般的讲，在序列问题中，由于序列的天然时序性以及序列长度的不一致性，采用Layer Normalization更为合理。

Transformer在各层的MultiHead-Attention和FFN中均采用了Layer Normalization的技术，同时配以skip-connection，以提高信息的流通通道，提高模型的可训练性。

至于Layer Normalization的作用顺序定论，在Transformer原文中采用$LN(x+Sublayer(x))$的形式，但在tensor2tensor源代码中则采用了$x+LN(Sublayer(x))$的形式。

2.8 Sacled Dot-Product Attention

常见的attention计算方法分为：
（1）multi-相乘计算：$score(s_i,t_j)=<W_1{s}_i,W_2{t}_j>$
（2）add-相加计算：$score(s_i,t_j)=<v,tanh(W_1{s}_i+W_2{t}_j)>$

两者参数量和整体计算量相当，但考虑到multi-相乘计算有成熟的加速算法，因此Transformer采用了前者。值得注意的是，Transformer在朴素的相乘计算基础上，引入了缩放因子，即：$$score(s_i,t_j)=\frac{<W_1{s}_i,W_2{t}_j>}{\sqrt{(d_k})}$$其中$d_k$为各位置的特征维度。

三、Transformer的优势

回过头来看Transformer，其通过引入self-attention机制，具有明显的优势：

（1）长距离的信息捕捉。虽然RNN通过gate的引入，能在一定上改善长距离依赖，但自回归模型的梯度消失/爆炸仍限制了RNN模型的使用。而CNN模型的专场在于捕捉local特征，虽然可以通过空洞卷积和层次化的结构扩大感受野，但对于长距离的信息捕捉仍然较弱。而self-attention直接摆脱了距离的限制，能够很好的捕捉远距离的文本信息关系。

（2）计算上的优势。RNN的另外一大缺点在于自回归模型无法实现并行计算，而self-attention的自交互式计算则没有这个问题，可以非常方便的进行并行计算。此外，一般embedding的维度是大于文本长度的，所以transformre的计算量更小。

（3）性能上的优势。由于Transformer的self-attention对每两个token间的信息进行了交互，同时multi-head的方式也能够从各sub-space捕获更多的特征细节，所以用Transformer作为特征抽取器的模型在各种下游任务上的表现均明显优于传统的CNN和RNN模型。所以，Transformer在后续GPT、Bert、XLNet等预训练模型上的大火也就不难理解了。

【Reference】

1. The Illustrated Transformer