超详细解读 Transformer 框架！建议收藏!_transformer架构

Transformer 是由谷歌大脑2017年在论文《Attention is All You Need》中提出的一种序列到序列(Seq2Seq)模型。自提出伊始，该模型便在NLP和CV界大杀四方，多次达到SOTA效果。NLP领域中，我们所熟知的BERT和GPT就是从Transformer中衍生出来的预训练语言模型。

本篇将对 Transformer 框架进行详细的解读，和大家一起深入理解Transformer的原理和机制。

1. 什么是Transformer？

首先我们先对Transformer来个直观的认识。Transformer出现以前，NLP领域应用基本都是以RNN或LSTM循环处理完成，一个token一个tokrn输入到模型中。模型本身是一种顺序结构，包含token在序列中的位置信息。但是存在了一些问题：

1. 会出现梯度消失现象，无法支持长时间序列。

2. 句子越靠后的token对结果的影响越大。

3. 只能利用上文信息，无法获取下文信息。

4. 循环网络逐个token输入，也就是句子有多长就要循环多少遍，计算的效率低。

而Transformer的出现得以解决了上述的一系列问题。

2. Transformer架构

2.1. 宏观层面

首先将Transformer可以看成是一个黑箱操作的序列到序列（seq2seq）模型，输入是单词/字母/图像特征序列，输出是另外一个序列。一个训练好的Transformer模型如下图所示：

在机器翻译中，就是输入一种语言(一连串单词)，经Transformer输出另一种语言(一连串单词)。

拆开这个黑箱，可以看到模型本质就是一个Encoder-Decoder结构，由编码组件、解码组件和它们之间的连接组成。

每个Encoders中分别由6层Encoder组成，而每个Decoders中同样也是由6层Decoder组成。

每一层Encoder的结构都是相同的，但是它们的权重参数不同。

每个Encoder里面又分为两层。

• Self-Attention Layer

• Feed Forward Neural Network，前馈神经网络

输入Encoder的文本数据，首先会经过一个self-attention层，这个层处理一个词的时候，不仅会使用这个词本身的信息，还会关注上下文其它词的信息。

self-attention的输出会被传入一个全连接的前馈神经网络，每个Encoder的前馈神经网络参数个数都是相同的，但是他们的作用是独立的。如下图：

每个Decoder也同样具有这样的层级结构，但是在这之间有一个Attention层，这个层能帮助Decoder聚焦于输入句子的相关部分。

2.2. 微观层面

Transformer内部结构如下图所示，由Encoder和Decoder两大部分组成。其中，Encoder负责将输入的自然语言序列映射成为隐藏层，然后Decoder将隐藏层映射为自然语言序列。

如下图所示是以机器翻译为例，说明模型具体运行过程：

1. 输入自然语言序列到Encoder：Why do we work?(我们为什么工作)；

2. Encoder输出的隐藏层，再输入到解码器；

3. 输入<start>(起始)符号到解码器；

4. 得到第一个字"为";

5. 将得到的第一个字"为"落下来再输入到解码器；

6. 得到第二个字"什"；

7. 将得到的第二字再落下来，直到解码器输出<end>(终止符)，即序列生成完成。

2.2.1. Encoder

下面我们再逐步拆开理解，首先是Encoder，即把自然语言序列映射为隐藏层的数学表达的过程。下图为一个Encoder block结构图。

2.2.1.1. 输入嵌入(input Embedding)

输入数据X维度为：[batch_size, sequence_length]，比如输入“你好啊。最近正在忙什么呢？明天有空出来喝茶。几个朋友都来。”，batch size指的是句子数，sequence length指的是输入的句子中最长的句子的字数。这里共四句话，所以bacth_size为4。最长的句子是8个，所以sequence_length为8。输入数据维度为[4,8]。

但是，我们不能直接将这些语句输入到Encoder中，因为Transformer不认识，所以需要先进行Embedding，找到每个字的数学表达，即得到图中的input Embedding，通过查表得到字向量，它的维度就变为

[batch_size,sequence_length,embedding_dimmension]，

其中，embedding_dimmension表示字向量的长度。

简单来说，就是字->词向量的转换，这种转换是将字转换为计算机能够辨识的数学表示，用到的方法是Word2Vec。得到的的维度是

[batch_size,sequence_length,embedding_dimmension]。其中，embedding_dimmension的大小由Word2Vec算法决定，例如Transformer采用512长度的词向量。因此，的维度是[4,8,512]。如下图所示。

2.2.1.2. 位置编码(Positional Encoding)

Transformer以token作为输入，将token进行input Embedding之后，再和Positional Encoding相加。「注意这里不是拼接，而是对应位置上的数值进行加和。」

上文我们提到，input Embedding的维度是512，由于是相加关系，自然而然地，这里Positional Encoding的维度也是512。

为什么要使用Positional Encoding呢？我们知道，NLP领域中，模型的输入是一串文本，也就是序列Sequence。

而在以前的模型(RNN或LSTM)中，NLP的每个序列都是一个字一个字的输入到模型当中。比如有一句话是“我喜欢吃洋葱”，那么输入模型的顺序就是

“我”，“喜”，“欢“，”吃“，”洋“，”葱”，一个字一个字的。

这样的输入方式其实就引入了一个问题。一个模型每次只吃了一个字，那么模型只能学习到前后两个字的信息，无法知道整句话讲了什么。为了解决这个问题，Transformer模型引用了Self-attention来解决这个问题。Self-attention的输入方式如下：

它可以一次性输入所有的字。但是NLP的输入文本要按照一定的顺序才可以，因为不同的语序，语义很有可能是不同的。比如下面两句话：

句子1：我喜欢吃洋葱 句子2：洋葱喜欢吃我

所以，对于Transformer结构而言，为了更好的发挥并行输入的特点，首先要解决的问题就是要让模型输入具有一定的位置信息。「因此，Transformer加入了Positional Encoding机制。」

2.2.1.2.1. 构造位置编码

「用整型值标记位置」

说起标记位置，大概首先能想到的方法就是给第一个字标记1，第二个字标记2…，以此类推。但是，

• 在处理不同长度的句子时，模型可能碰到比训练的序列更长的句子，这将不利于模型泛化。

• 随着序列长度增加，位置标记值越来越大，模型将很难学习到这些位置信息。

「用[0,1]范围标记位置」

这时候可以将模型位置值限制在[0,1]范围内，来解决上述问题。其中，第一个字标记0，最后一个字标记1，中间的均分，比如共3个字，位置信息就是[0, 0.5, 1]；4个字位置信息就是[0, 0.33, 0.69, 1]。

但是这样，序列长度不同时，字与字的相对距离是不同的。

所以，理想情况下，Positional Encoding的设计应该满足以下条件：

• 为每个字输出唯一的编码可以表示每个字在序列中的绝对位置；

• 不同长度的序列之间，任意两个字的距离/相对位置应该保持一致；

• 可以表示模型在训练中未遇到过的句子长度。

「绝对位置」：“我”是第一个字，“喜”是第二个字，…

「相对位置」：“喜”在“我”的后面一位，“吃”在“喜”的后面两位…

「两个字之间的距离」：“我”和“喜”差1个位置，“我”和“吃”差3个位置…

「用二进制向量标记位置」

位置信息是作用在input Embedding上的，因此可以用一个和input Embedding维度一致的向量表示位置。这里以d_model=3为例，位置向量可以表示为下图所示。

这样满足所有值都是有界的(位于0、1之间)，且Transformer中d_model=512，足够将每个位置都编码出来了。

但是，这样编码的位置向量，处在一个离线空间，不同位置间的变化是不连续的。

「用周期函数（sin）标记位置」

到这里，我们更明确了，需要的是有界且连续的函数，最先想到的，正弦函数sin可以满足吧。

我们可以将位置向量中的每个元素都用一个sin函数表示，第t个字的位置可以表示为：

如下图所示，每一行表示一个，每一列表示中的第i个元素。旋钮用于调整精度，越往右边的旋钮，需要调整的精度越大，因此指针移动的步伐越小。

每一排的旋钮都在上一排的基础上进行调整（函数中t的作用）。通过频率控制sin函数的波长，频率不断减小，则波长不断变大，此时sin函数对t的变动越不敏感，以此来达到越向右的旋钮，指针移动步伐越小的目的。

「为什么波长与频率成反比？」

对于三角函数，

周期是π，频率是π，因此B越大，频率越大，一个周期内函数图像重复次数越多，波长越短。

这也类似于二进制编码，每一位上都是0和1的交互，越往低位(左移)，交互的频率越慢。

此外，由于sin是周期性函数，纵向看，如果函数频率偏大，引起波长偏短，则不同t对应的位置向量可能会存在重合。例如下图中（d_model=3），图中点表示序列中每个字的位置向量，颜色越深，字的位置越靠后，在频率偏大时，位置向量点连成了一个闭环。

为了避免这种情况，则要尽量把波长拉长。最简单的方法就是把所有的频率尽可能设小。因为，在Transformer论文中，频率设为。

所以，到这里，位置向量可以表示为：

其中，

「用sin和cos交替标记位置」

目前为止，位置向量已经满足：

1. 每个字的向量唯一（每个sin函数频率足够小，波长足够长，不会重合）。

2. 位置向量的值有界，且连续。模型在处理位置向量时泛化性强，即更好处理长度和训练数据分布不一致的序列。

但是，我们还希望不同的位置向量是可以通过线性变换得到的。这样，不仅能表示一个字的绝对位置，还可以表示一个字的相对位置。即：

这里，T表示一个线性变化矩阵。假设t是一个角度值，就是旋转的角度，则上面的公式可以写为：

这样就可以把原来元素全都是sin函数的做一个替换，让位置两两一组，分别用sin和cos的函数对表示。即：

在这样的表示下，我们可以很容易用一个线性变换，把转变为

2.2.1.3. Transformer位置编码

Positional Encoding定义如下：

其中，

• t表示序列中某个字的实际位置，例如第一个字为1，第2个字为2。

• 表示t位置处的字的Positional Encoding向量，该向量可以用来给句子中每个字提供位置信息。换句话说，就是我们通过注入每个字的位置信息，增强了模型输入。

• k表示向量中每个元素的index。

• 表示向量的维度，即512。

其实这里的公式和上面提到的是一模一样。

把512维的向量两两一组，每组都是一个cos和一个sin，这两个函数共享一个频率，共256组，由于从0开始编号，所以最后编号是255。

回到定义中，k越来越大，越来越小，π也越来越小，所以，频率随着k的递增而递减，周期递增。时，周期最小是2π；时，周期也就是波长最大是10000*2π。

为什么要将Transformer的每个维度设计成周期形式呢？如下图所示是0-15的二进制形式。可以看出，不同位置的数字都会出现0、1的交替变化。

2.2.1.4. 可视化

如下图所示是一串序列长度为50、位置编码维度是为128位置编码可视化效果。

由此可以发现位置向量的每一个值都位于[-1, 1]之间。同时，纵向来看，图的右半边几乎都是蓝色的，这是因为越往后的位置，频率越小，波长越长，所以不同的t对最终的结果影响不大。而越往左边走，颜色交替的频率越频繁。

2.2.2. 自注意力机制(Self Attention Mechanism)

注意力机制，顾名思义，就是我们对某件事或某个人或物的关注重点。举个生活中的例子，当我们阅读一篇文章时，并非每个词都会被同等重视，我们会更关注那些关键的、与上下文紧密相关的词语，而非每个停顿或者辅助词。

对于没有感情的机器来说其实就是赋予多少权重(比如0-1之间的小数)，越重要的地方或者越相关的地方赋予的权重越高。

在技术实现层面，注意力机制通常涉及三个核心概念：Query、Key和Value。其中，

• 查询（Query,Q）：指的是查询的范围，自主提示，即主观意识的特征向量。

• 键（Key,K）：指的是被比对的项，非自主提示，即物体的突出特征信息向量。

• 值（Value,V） ： 则是代表物体本身的特征向量，通常和Key成对出现。

注意力机制是通过Query与Key的注意力汇聚（给定一个 Query，计算Query与 Key的相关性，然后根据Query与Key的相关性去找到最合适的 Value）实现对Value的注意力权重分配，生成最终的输出结果。

举个例子，

• 我们淘宝购物时，会输入一句关键词（比如：高腰），这个就是Query。

• 搜索系统会根据关键词查找一系列相关的key(商品名称+图片)。

• 最后系统会将相应的Value(具体的衣服)输出。

Q、K和V虽然在不同的空间，其实它们是有一定潜在联系的，也就是说通过某种变换，可以使得三者的属性在一个相近的空间中。

自注意力机制是注意力机制的变体，其减少了对外部信息的依赖，更擅长捕捉数据或特征的内部相关性。

注意力机制和自注意力机制的区别：

1. 注意力机制的Q和K是不同来源的，例如，在Encoder-Decoder模型中，K是Encoder中的元素，而Q是Decoder中的元素。在中译英模型中，Q是中文单词特征，而K则是英文单词特征。

2. 自注意力机制的Q和K则都是来自于同一组的元素，例如，在Encoder-Decoder模型中，Q和K都是Encoder中的元素，即Q和K都是中文特征，相互之间做注意力汇聚。也可以理解为同一句话中的词元或者同一张图像中不同的batch，这都是一组元素内部相互做注意力机制，因此，自注意力机制也被称为内部注意力机制。

2.2.2.1. 运行步骤

步骤1. 对输入Encoder的每个词向量，都创建3个向量，分别是：Q向量，K向量，V向量。

上文中提到，

input= input Embedding+ Positional Embedding

词嵌入与位置向量相加可以得到句中每个单词的词向量表示，第t个词的词向量记作。

对于每个词向量，分别乘以权重矩阵、、，即可得到新的向量、、。而权重矩阵、、即为我们要学习的参数。

步骤2. 计算一个注意力分数Attention Score。假设我们正在计算本例中第一个词“Thinking”的注意力分数。这个分数就决定着“Thinking”这个词在某句话中与其他词的关联程度，所以“Thinking”这个词要与其他所有词都计算一个分数。

这个分数是通过Q向量与其它位置的每个词的K向量进行点积求得。例如我们要计算句子中第一个位置单词的score，那么第一个分数就是 q1 和 k1 的内积，第二个分数就是 q1 和 k2 的点积。

其意义就是比较两个向量的相关程度，越相关值越大。如下图。

步骤3. 每个score除以（是key向量的长度）。也可以除以其他数，这里除以一个数是为了在反向传播时，求取梯度更加稳定。论文中除以Q向量维度的平方根8，即。

然后通过softmax操作映射出最后的结果。Softmax对分数进行归一化处理，使它们都为正且加起来为1。如下图所示：

softmax结果决定了每个词在句子中每个位置的重要性。很明显，这个词与其本身的softmax结果最高，因为它的Q、K、V向量都是源于其本身。

步骤4. 得到每个位置的分数后，将每个分数分别与每个Value向量相乘，使得每个单词重要程度进行重新分配。对于分数高的位置，相乘后的值就越大，我们把更多的注意力放到了它们身上；对于分数低的位置，相乘后的值就越小，这些位置的词可能是相关性不大的，这样我们就忽略了这些位置的词。

最后再加权值求和，产生Self-Attention输出。如下图所示：

自注意力计算到此结束。

「Tip」

在实际中，我们通常会将输入词向量打包成矩阵，然后分别和3个权重矩阵、、相乘，得到Q，K，V矩阵。如下图所示：

矩阵X中的每一行，表示句子中的每一个词的词向量，长度是512。Q，K，V 矩阵中的每一行表示Query向量，Key向量，Value向量，向量长度是64。

接着进行矩阵运算，直接得到Self Attention的输出。

整体矩阵运算过程如下图所示，

「自注意力机制的问题」

1）模型在对当前位置的信息进行编码时，会过度的将注意力集中于自身的位置，有效信息抓取能力就差一些。2）我们前文也有提到，它会一次性输入所有的字，而没有考虑位置信息。但是NLP的输入文本要按照一定的顺序才可以，因为不同的语序，语义很有可能是不同的。

2.2.2.2. 多头注意力（Multi-Head Attention）

多头注意力即为：用独立学习得到的h组（一般h=8）不同的线性投影（linear projections）来变换查询Q、键K和值V。然后，这h组变换后的查询、键和值将并行地送到注意力汇聚中。最后，将这h个注意力汇聚的输出拼接在一起， 并且通过另一个可以学习的线性投影进行变换，以产生最终输出。

步骤1. 定义多组W，生成多组Q、K、V。刚才我们已经理解了，Q、K、V是输入向量分别乘上三个系数、、得到，、、是可训练的参数矩阵。

现在，对于同样的，我们定义多组不同的、、，比如、、、、、每组分别计算生成不同的Q、K、V，最后学习到不同的参数。

步骤2. 定义8组参数。对应8组参数矩阵、、，再分别进行self-attention，即可得到。每一组、、都可以得到一个输出矩阵。

步骤3. 将多组输出拼接后乘以矩阵以降低维度。首先在输出到下一层前，需要将拼接，再乘以矩阵做一次线性变换降维，得到Z。

完整流程图如下：

2.2.2.3. 残差连接（Residual Connections）和层归一化（Layer Normalization）

「残差连接」

在上一步得到了经过注意力矩阵加权之后的V，也就是

现在进行转置，使其和维度一致，也就是[batch-size,sequence_length,embedding_dimmension]，再把他们对应元素加起来做残差连接。

在之后的运算里，每经过一个模块的运算，都要把运算之前的值和运算之后的值相加，从而得到残差连接，训练的时候可以使梯度直接走捷径反传到最初始层：

「Layer Normalization」

Layer Normalization的作用是把神经网络中隐藏层归一为标准正态分布，也就是独立同分布，以起到加快训练速度，加速收敛的作用。

μ

上式中以矩阵的行(row)为单位求均值：

μ

上式中以矩阵的行(row)为单位求方差：

￥

然后用每一行的每一个元素减去这行的均值，再除以这行的标准差，从而得到归一化后的数值，是为了防止除0。之后引入两个可训练参数α,β来弥补归一化的过程中损失掉的信息，注意⊙表示元素相乘而不是点积，我们一般初始化α 为全1，而β为全0。

2.2.2.4. Add&Norm

Add & Norm层Add和Norm两部分组成，其计算公式如下：

其中，X表示输入向量，MultiheadAttention(X)表示多头注意力输出，FeedForward(X)表示前馈网络输出，输出与输入X 维度是一样的，所以可以相加。

Add指X+MultiHeadAttention(X)，是一种残差连接，通常用于解决多层网络训练的问题，可以让网络只关注当前差异的部分，在ResNet中经常用到：

Norm指Layer Normalization，通常用于RNN结构，Layer Normalization会将每一层神经元的输入都转成均值方差都一样的，这样可以加快收敛。

2.2.2.5. Feed Forward

Feed Forward层比较简单，是一个两层的全连接层，第一层的激活函数为Relu，第二层不使用激活函数，对应的公式如下。

X是输入，Feed Forward最终得到的输出矩阵的维度与X一致。

至此，MultiHeadAttention、FeedForward、Add&Norm就可以造出一个Encoder Block，Encoder block接收输入矩阵 ，并输出一个矩阵 。通过多个Encoder block叠加组成Encoder。

第一个Encoder block的输入为句子单词的表示向量矩阵，后续Encoder block的输入是前一个Encoder block的输出，最后一个Encoder block输出的矩阵就是编码输出，这一矩阵后续会用到Decoder中。

2.2.3. Decoder

由下图可以看出，Decoder结构从上到下依次是：

• Masked Multi-Head Self-Attention

• Multi-Head Encoder-Decoder Attention

• FeedForward Network

和Encoder一样，上面三个部分的每一个部分，都有一个残差连接，后接一个Layer Normalization。Decoder的中间部件并不复杂，大部分在前面Encoder里我们已经介绍过了，但是Decoder由于其特殊的功能，因此在训练时会涉及到一些细节。

• 包含两个Multi-Head Attention模块。

• 第一个 Multi-Head Attention层采用了Masked操作。

• 第二个 Multi-Head Attention层的K、V矩阵使用Encoder输出进行计算，而Q使用上一个Decoder block的输出计算。

• 最后有一个 Softmax 层计算下一个翻译单词的概率。

2.2.3.1. 第一个Multi-Head Attention

Decoder block的第一个Multi-Head Attention采用了Masked操作，因为在翻译的过程中是顺序翻译的，即翻译完第i个单词，才可以翻译第i+1个单词。通过Masked操作可以防止第i个单词知道i+1个单词之后的信息。下面以"我有一只猫"翻译成 "I have a cat"为例，了解一下Masked操作。

下面的描述中使用了类似Teacher Forcing的概念。在 Decoder 的时候，是需要根据之前的翻译，求解当前最有可能的翻译，如下图所示。首先根据输入 “Begin” 预测出第一个单词为 “I”，然后根据输入 “Begin I” 预测下一个单词 “have”。

Decoder可以在训练的过程中使用Teacher Forcing并且并行化训练，即是指将正确的单词序列(I have a cat)和对应输出(I have a cat)传递到Decoder。那么在预测第i个输出时，就要将第i+1之后的单词掩盖住，注意Mask操作是在Self-Attention的Softmax之前使用的，下面用0 1 2 3 4分别表示 "I have a cat "。

步骤1. Decoder的输入矩阵和Mask矩阵。输入矩阵包含"<start>I have a cat" (0, 1, 2, 3, 4)五个单词的表示向量，Mask是一个5×5的矩阵。在Mask可以发现单词0只能使用单词0的信息，而单词1可以使用单词0, 1的信息，即只能使用之前的信息。

步骤2. 通过输入矩阵X计算得到Q、K、V矩阵。然后计算Q和的乘积。

步骤3. 在得到之后需要进行Softmax，计算attention score。另外我们在Softmax之前需要使用Mask矩阵遮挡住每一个单词之后的信息，遮挡操作如下：

得到Mask之后在Mask上进行Softmax，每一行的和都为1。但是单词0在单词1, 2, 3, 4上的attention score都为0。

步骤4. 使用Mask与矩阵V相乘，得到输出Z，则单词I的输出向量是只包含单词1信息的。

步骤5. 通过上述步骤就可以得到一个Mask Self-Attention的输出矩阵，然后和Encoder类似，通过Multi-Head Attention拼接多个输出然后计算得到第一个Multi-Head Attention的输出Z，Z与输入X维度一样。

2.2.3.2. 第二个Multi-Head Attention

Decoder block第二个Multi-Head Attention变化不大，主要的区别在于其中Self-Attention的K、V矩阵不是使用上一个Decoder block的输出计算的，而是使用Encoder的编码输出计算的。

根据Encoder的输出C计算得到K、V，根据上一个Decoder block的输出Z计算Q (如果是第一个Decoder block则使用输入矩阵X进行计算)，后续的计算方法与之前描述的一致。

这样做的好处是在Decoder的时候，每一位单词都可以利用到Encoder所有单词的信息 (这些信息无需Mask)。

2.2.3.3. Softmax预测输出单词

Decoder block最后的部分是利用Softmax预测下一个单词，在之前的网络层我们可以得到一个最终的输出Z，因为Mask的存在，使得单词0的输出Z0只包含单词0的信息，如下：

Softmax根据输出矩阵的每一行预测下一个单词：

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