动手深度学习(Pytorch)之路 --- Attention and Transformer_pytorch attention层

Attention

近年来，Attention机制越来越火，在下不才，可能比你们多看了几篇博客，分享一些我对于Attention机制的理解，推荐大家去看李宏毅老师的视频，讲的非常清楚，也可以参考博客。和绝大多数神经网络模型相似，Attention机制最先应用于图像领域，后来逐渐引入到自然语言处理中。经典的论文可以看看这几篇：《Recurrent Models of Visual Attention》、《Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate》、《Attention is all you need》。下面来聊聊Attention机制到底是如何工作的。
我们都知道，相对于卷积神经网络来说，循环神经网络能够更好的处理具有时序特征的数据。然而，在RNN模型中，当前时刻的输入依赖于前一时刻的输出，因此，注定了RNN模型无法完成并行计算，这极大的局限了高效计算的实现，Attention机制的出现恰好解决了这个问题。

如上图所示，在Attention机制里，所有的输入和输出是并行完成的，没有RNN模型中相互依赖的过程。下面再看看其内部是如何计算的。

第一步，输入是单个字（词，下面统一用字表示）的id$x^i$，经过Embedding层（Word2Vec或其他工具），产生每次字的字向量$a^i$，这几乎和目前使用的所有模型一致。接着，初始化三个矩阵$W^q,W^k,W^v$，将$a^i$和矩阵相乘，获得每个id所对应的$q^i,k^i,v^i$向量。

第二步，将$q^1$与所有的$k^i$进行点积运算${\alpha }_{1,i}=q^1\cdot k^i/\sqrt{d}$和softmax激活函数，得到$\widehat{{\alpha }_{1,i}}$，接着，$\widehat{{\alpha }_{1,i}}$与所有的$v_i$相乘，得到当前节点$q^i$的输出$b^1$，以此类推，得出所有的输出。这个过程就是Attention机制的计算过程。
下面谈谈一开始提到的并行计算的问题。如下图所示，我感觉李老师的图已经很清晰了，我就不再啰嗦了。



至此，Attention机制的运算就结束了。

Transformer

19年可以说是NLP最火爆的一年，无他，BERT模型在11项NLP任务中打遍天下，未逢敌手，引爆了整个NLP界对于词向量模型的研究。而BERT取得成功的一个关键因素是Transformer的强大作用。而Transformer又是由Attention堆叠而成的，下面来看看Transformer做了哪些优化。

这就是Transformer的模型图，由两部分构成：Encoder和Decoder。

Encoder

其实Decoder和Encoder部分的机构基本是相同的，先来看看Encoder部分。Encoder结构也可以分为三部分：首先是输入，然后是self-Attention层，最后是Position-wise FFN层，后面两部分组成了Encoder的基础结构单元，在Transformer中，这个单元被重复了N次。
输入：在传统的Embedding基础上，Transformer的输入增加了一个Positional Encoding结构，我们称之为位置信息。位置信息是一个二维矩阵，其计算公式如下，其中，$i$对应的是该单词在居中的位置（$i=1,2,3...$），$j$对应的是在Embedding中，目前是第$j$个向量。
$$P_{i,2j}=sin(i/10000^{2j/d})$$ $$P_{i,2j+1}=cos(i/10000^{2j/d})$$

self-Attention层：多头注意力层包含 $h$个并行的自注意力层，每一个这种层被成为一个head，其实就是上面的Attention层并行计算了$h$次，然后将$h$个输出直接进行拼接即可。

Position-wise FFN层：接受一个形状为（batch_size，seq_length, feature_size）的三维张量。Position-wise FFN由两个全连接层组成，他们作用在最后一维上。因为序列的每个位置的状态都会被单独地更新，所以我们称他为position-wise，这等效于一个1x1的卷积。
值得注意的是，在Transformer中，使用了残差网络的思想，首先将前一层的输入进行Layer Norm，然后连接到下一层中进行运算，即模型图中的Add & Norm模块。
最后，将这个Encoder结构连接N层，就完成了整个Encoder部分。

Decoder

Decoder的结构和Encoder是非常相似的，这从模型图也可以看出来。
对于Decoder来说，可以分为两个模块。第一个模块中，预测的句子作为输入，和Encoder的输入相同，Embedding加上Positional encoding作为输入，在这里有一个Masked的处理，是因为在机器翻译的时候，解码器只能根据前边出现的单词预测下一单词。所以，需要将句中当前时刻以后的词信息进行Masked处理，然后就是同样的Attention计算和Add & Norm操作。第二个模块接收Encoder的输出作为Attention机制的$K$和$Q$矩阵，第一个模块的输出作为Attention机制的$V$矩阵。用这三个矩阵和Encoder结构做同样的计算，并且堆叠N层，作为Decoder结构的输出。最后在经过全连接层，映射到字典中，预测下一个词的概率。

总结

Transformer是在Attention基础上进行的堆叠，不仅计算速度更快，在翻译任务上也获得了更好的结果。