Attention Is All You Need（Transformer）原理小结

Posted 2021-01-13 huangyc

1. 前言

谷歌在2017年发表了一篇论文名字教Attention Is All You Need，提出了一个只基于attention的结构来处理序列模型相关的问题，比如机器翻译。传统的神经机器翻译大都是利用RNN或者CNN来作为encoder-decoder的模型基础，而谷歌最新的只基于Attention的Transformer模型摒弃了固有的定式，并没有用任何CNN或者RNN的结构。该模型可以高度并行地工作，所以在提升翻译性能的同时训练速度也特别快。

2. Transformer模型结构

Transformer的主体结构图：

2.1 编码器解码器

模型分为编码器和解码器两个部分。

• 编码器由6个相同的层堆叠在一起，每一层又有两个支层。第一个支层是一个多头的自注意机制，第二个支层是一个简单的全连接前馈网络。在两个支层外面都添加了一个residual的连接，然后进行了layer nomalization的操作。模型所有的支层以及embedding层的输出维度都是(d_{model})。
• 解码器也是堆叠了六个相同的层。不过每层除了编码器中那两个支层，解码器还加入了第三个支层，如图中所示同样也用了residual以及layer normalization。具体的细节后面再讲。

2.2 输入层

编码器和解码器的输入就是利用学习好的embeddings将tokens（一般应该是词或者字符）转化为d维向量。对解码器来说，利用线性变换以及softmax函数将解码的输出转化为一个预测下一个token的概率。

2.3 位置向量

由于模型没有任何循环或者卷积，为了使用序列的顺序信息，需要将tokens的相对以及绝对位置信息注入到模型中去。论文在输入embeddings的基础上加了一个“位置编码”。位置编码和embeddings由同样的维度都是(d_{model})所以两者可以直接相加。有很多位置编码的选择，既有学习到的也有固定不变的。

2.4 注意力模型

2.4.1 Scaled attention

论文中用的attention是基本的点乘的方式，就是多了一个所谓的scale。输入包括维度为(dk)的queries以及keys，还有维度为(d_v)的values。计算query和所有keys的点乘，然后每个都除以(sqrt{d_k})（这个操作就是所谓的Scaled）。之后利用一个softmax函数来获取values的权重。
实际操作中，attention函数是在一些列queries上同时进行的，将这些queries并在一起形成一个矩阵(Q)同时keys以及values也并在一起形成了矩阵(K)以及(V)。则attention的输出矩阵可以按照下述公式计算：

[ Attention(Q,K,V) = softmax({QK^Tover {sqrt {d_k}}})V ]

2.4.2 Multi-Head Attention

本文结构中的Attention并不是简简单单将一个点乘的attention应用进去。作者发现先对queries，keys以及values进行(h)次不同的线性映射效果特别好。学习到的线性映射分别映射到(d_k)，(d_k)以及(d_v)维。分别对每一个映射之后的得到的queries，keys以及values进行attention函数的并行操作，生成(dv)维的output值。具体结构和公式如下。

[ MultiHead(Q,K,V) = Concat(head_1,...,head_h) ]

[ where: head_i = Attention(Q{W_i}^Q,K{W_i}^K,V{W_i}^V) ]

2.4.3 模型中的attention

Transformer以三种不同的方式使用了多头attention。

1. 在encoder-decoder的attention层，queries来自于之前的decoder层，而keys和values都来自于encoder的输出。这个类似于很多已经提出的seq2seq模型所使用的attention机制。
2. 在encoder含有self-attention层。在一个self-attention层中，所有的keys,values以及queries都来自于同一个地方，本例中即encoder之前一层的的输出。
3. 类似的，decoder中的self-attention层也是一样。不同的是在scaled点乘attention操作中加了一个mask的操作，这个操作是保证softmax操作之后不会将非法的values连到attention中。

之前说模型由堆叠在一起的六个层组成，每层由两个支层，attention层就是其中一个，而attention之后的另一个支层就是一个前馈的网络。公式描述如下。

2.4.4 Feed Foreword

每层由两个支层，attention层就是其中一个，而attention之后的另一个支层就是一个前馈的网络。公式描述如下。
[ FFN(x) = max(0,xW_1 + b_1)W_2 + b_2 ]

3. 总结

模型的整体框架基本介绍完了，其最重要的创新应该就是Self-Attention和Multi-Head Attention的架构。在摒弃传统CNN和RNN的情况下，还能提高表现，降低训练时间。Transformer用于机器翻译任务，表现极好，可并行化，并且大大减少训练时间。并且也给我们开拓了一个思路，在处理问题时可以增加一种结构的选择。

（欢迎转载，转载请注明出处。欢迎沟通交流： [email protected]）