一文通透各种注意力：从多头注意力MHA到分组查询注意力GQA、多查询注意力MQA

前言

通过本博客内之前的文章可知，自回归解码的标准做法是缓存序列中先前标记的键(K)和值(V) 对，从而加快注意力计算速度。然而，随着上下文窗口或批量大小的增加，多头注意力 (MHA)模型中与 KV 缓存大小相关的内存成本显着增长

对于较大的模型，KV 缓存大小成为瓶颈，键和值投影可以在多个头之间共享，而不会大幅降低性能，可以使用

• 具有单个 KV 投影的原始多查询格式(MQA)，ChatGLM2-6B即用的这个
  不过，多查询注意(Multi-query attention，简称MQA)只使用一个键值头，虽大大加快了解码器推断的速度，但MQA可能导致质量下降，而且仅仅为了更快的推理而训练一个单独的模型可能是不可取的
• 或具有多个 KV 投影的分组查询注意力(grouped-query attention，简称GQA)，LLaMA2和Mistral均用的这个
  这是一种多查询注意的泛化，它通过折中(多于一个且少于查询头的数量，比如4个)键值头的数量，使得经过强化训练的GQA以与MQA相当的速度达到接近多头注意力的质量，即速度快 质量高

经实验论证，GQA 变体在大多数评估任务上的表现与 MHA 基线相当，并且平均优于 MQA 变体

以下是这三种注意力机制在结构上的对比

第一部分 多头注意力

// 待更

第二部分 LLaMA2之分组查询注意力——Grouped-Query Attention

23年，Google的研究者们提出了一种新的方法，即分组查询注意(GQA，论文地址为：GQA: Training Generalized Multi-Query Transformer Models from Multi-Head Checkpoints)

// 待更

第三部分 ChatGLM2之多查询注意力(Muti Query Attention)

3.1 MQA的核心特征：各自Query矩阵，但共享Key 和 Value 矩阵

多查询注意力(Muti Query Attention)是 19 年Google一研究者提出的一种新的 Attention 机制(对应论文为：Fast Transformer Decoding: One Write-Head is All You Need、这是其解读之一)，其能够在保证模型效果的同时加快 decoder 生成 token 的速度

除了ChatGLM2用的MQA之外，23年12月Google最新推出的「多模态大模型Gemini」的注意力机制也使用的Multi-Query Attention

那其与17年 Google提出的transformer中多头注意力机制(简称MHA)有啥本质区别呢？有意思的是，区别在于：

​

• 我们知道MHA的每个头都各自有一份不同的Key、Query、Value矩阵
• 而MQA 让所有的头之间 共享 同一份 Key 和 Value 矩阵，每个头只单独保留了一份 Query 参数，从而大大减少 Key 和 Value 矩阵的参数量
  总之，MQA 实际上是将 head 中的 key 和 value 矩阵抽出来单独存为一份共享参数，而 query 则是依旧保留在原来的 head 中，每个 head 有一份自己独有的 query 参数

下图对比了多头注意力(Multi-Head Attention)、LLaMA2中分组查询注意力(Grouped-Query Attention)、多查询注意力(Muti Query Attention)的差别

总之，MHA 和 MQA 之间的区别只在于建立 Wqkv Layer 上

# Multi Head Attention
self.Wqkv = nn.Linear(                        # 【关键】Multi-Head Attention 的创建方法
    self.d_model, 
    3 * self.d_model,                         # 有 query, key, value 3 个矩阵, 所以是 3 * d_model
    device=device
)
 
query, key, value = qkv.chunk(                # 【关键】每个 tensor 都是 (1, 512, 768)
    3, 
    dim=2
)
 
 
# Multi Query Attention
self.Wqkv = nn.Linear(                                # 【关键】Multi-Query Attention 的创建方法
    d_model,
    d_model + 2 * self.head_dim,                      # 只创建 query 的 head 向量，所以只有 1 个 d_model
    device=device,                                    # 而 key 和 value 不再具备单独的头向量
)
 
query, key, value = qkv.split(                        # query -> (1, 512, 768)
    [self.d_model, self.head_dim, self.head_dim],     # key   -> (1, 512, 96)
    dim=2                                             # value -> (1, 512, 96)
)

对比上面的代码，你可以发现

• 在 MHA 中，query, key, value 每个向量均有 768 维度
• 而在 MQA 中，只有 query 是 768 维，而 key 和 value 均只剩下 96 维了，恰好是 1 个 head_dim 的维度

因此，可以确认：在 MQA 中，除了 query 向量还保存着 8 个头，key 和 value 向量都只剩 1 个「公共头」了，这也正好印证了论文中所说的「所有 head 之间共享一份 key 和 value 的参数」

剩下的问题就是如何将这 1 份参数同时让 8 个头都使用，代码里使用矩阵乘法 matmul 来广播，使得每个头都乘以这同一个 tensor，以此来实现参数共享：

def scaled_multihead_dot_product_attention(
        query,
        key,
        value,
        n_heads,
        multiquery=False,
    ):
    q = rearrange(query, 'b s (h d) -> b h s d', h=n_heads)         # (1, 512, 768) -> (1, 8, 512, 96)
    kv_n_heads = 1 if multiquery else n_heads
    k = rearrange(key, 'b s (h d) -> b h d s', h=kv_n_heads)        # (1, 512, 768) -> (1, 8, 96, 512) if not multiquery 
                                                                    # (1, 512, 96) -> (1, 1, 96, 512)  if multiquery
    v = rearrange(value, 'b s (h d) -> b h s d', h=kv_n_heads)      # (1, 512, 768) -> (1, 8, 512, 96) if not multiquery 
                                                                    # (1, 512, 96) -> (1, 1, 512, 96)  if multiquery
    
    attn_weight = q.matmul(k) * softmax_scale                       # (1, 8, 512, 512)
    attn_weight = torch.softmax(attn_weight, dim=-1)                # (1, 8, 512, 512)
 
    out = attn_weight.matmul(v)                                     # (1, 8, 512, 512) * (1, 1, 512, 96) = (1, 8, 512, 96)
    out = rearrange(out, 'b h s d -> b s (h d)')                    # (1, 512, 768)
 
    return out, attn_weight, past_key_value