Transformer中的Self-Attention

Posted 2021-02-11 yzykkpl

Transformer

Transformer是Google的论文《Attention is All You Need》种提出的结构。读完论文之后对于Transformer的细节还是搞不清楚，查阅了很多解读文章，并结合代码终于算是弄得算比较清楚了。我现在尝试结合图片的方式对Transformer的工作流程进行梳理，图片基本上都来自于这个blog。我觉得这位大神讲得很好了，只是有些地方有点繁琐，而且是英文的，所以我用他的图片结合我自己的理解进行梳理。

Transformer是做什么的？

我认为Transformer的提出是为了用纯Attention的结构替代LSTM解决Seq2Seq任务，但是整体来说依然是Encoder-Decoder结构。用全Attention的结构可以进行并行计算(计算量其实很大，只是提高了并行计算效率，所以比LSTM快)，加快训练速度。接下来从外到内逐渐深入Transformer看看是如何工作的。

典型任务--机器翻译

对于机器翻译这个典型的Seq2Seq任务，用来讲解Transformer再适合不过了。

Transformer由Encoder和Decoder组成，这和传统的Seq2Seq结构相同，Encoder将字符序列编码为向量，decoder将该向量解码为字符序列。Transformer的特点是有多个encoder和多个decoder，可以称他们为encoder栈和decoder栈。

这里值得说明的一点是每一个小的encoder之间是相互独立的，他们不共享参数，虽然图片上看起来和LSTM很想，但是不要和LSTM混淆，decoder也是一样。每一个encoder又包含两层——self-attention和feed-forward neural network。

• self-attention：帮助Endcoder在编码单词的过程中查看输入序列中的其他单词，其实就是应用Attention机制的地方

• feed-forward neural network 前馈神经网络，可以理解为全连接层

decoder的比encoder多一层

注意这个Encoder-Decoder Attention层，这里是在当前的输出字符和输入之间应用Attention，encoder的Self-Attention是输入的当前字符和输入之间应用Attention，这就是self的含义。Encoder-Decoder Attention和以前的Seq2Seq with Attention 是类似的。

工作流程

1.常规操作embbding，这个NLP的预备动作就不多说了。英文的可以用glove，中文的可以用腾讯AI Lab公开的词向量。这里假设词向量维度为512,但是我用4维向量省略表示，只要清楚每一个词被转换成相同维度的向量就行了。

最下面的一个encoder的输入就是一堆512的词向量组成的list，输出一堆512的向量(不再是词向量)的list，其余的encoder的输入是上一个encoder的输出。所以每一个encoder的输入输出都是一堆512向量的list，这个list的大小是超参数，通常取数据集中句子的最大长度，如果数据集中最长的句子有20个词，那么输入和输出就是20个512的向量。

注意这里不是把20个512的向量拼在一起，而是每一个独立地通过encoder，每个单词进入Self-Attention层后都会有一个对应的输出。Self-Attention层中的输入和输出是存在依赖关系的，而前馈层则没有依赖，所以在前馈层，我们可以用到并行化来提升速率。接下来看看这两个子层内部地数据流动过程。

Encoder

Transformer中的每个Encoder接收一个512维度的向量的列表作为输入，然后将这些向量传递到Self-attention层，Self-attention层产生一个等量512维向量list，然后进入前馈神经网络，前馈神经网络的输出也为一个512维度的list，然后将输出向上传递到下一个encoder。就像这样：

虽然这个图片上的前馈神经网络是分开的，但其实他们的参数是一摸一样的(只是为了体现并行)，我自己画图太丑所以直接用别人的图，如果有需要说明的地方我会提的。

Self-Attention

最常见的Attention机制的主要思想是对于当前输出的词，每一个输入的词对它的影响是不同的，即输入的权重对输出的影响。注意“Attention”完全可以就按“注意力”的字面意思直观理解，就是从当前词的角度来说，对于其他词分配的注意力是不同的。而在《Attention is All You Need》中所说的Self-Attention是对于输入中的某一个词，其他输入的词对它的影响是不同的，即输入的权重对其中一个输入的词影响，以此来寻找编码这个单词更好的线索。这也是Transformer的encoder产生的编码结果更好的原因，举个例子就清楚了。比如现在要翻译一句话："The animal didn‘t cross the street because it was too tired"， 这句话中的"it"指的是什么？它指的是“animal”还是“street”？对于人来说，这其实是一个很简单的问题，但是对于一个算法来说，处理这个问题其实并不容易。self attention的出现就是为了解决这个问题，通过self attention，我们能将“it”与“animal”联系起来，最终的编码结果就会包含这个信息，其实传统的用RNN处理时序信息的目的也是为了将各元素的相关性包含在编码结果中。

这是可视化的结果，可以在google的Tensor2Tensor上自己运行看一下。

看看Self-Attention是如何计算出来的

上面说到Attention简单来说就是每个词对于当前词的影响大小，即对于每个词我们给予多少的注意力。如何量化这个注意力的分配？我们要给每一个词一个“分数”或者“注意力值”，这个“分数”的计算过程是这样的：

我们以第一层encoder（即输入为单词的embedding），对于每一个单词：

• 1.计算Query，Key，Value三个向量，这三个向量由embedding与三个矩阵WQ、WK、WV相乘所得，在我们的例子中，这三个矩阵都是512x64的，q,k,v三个向量都是64维的。
• 2.设第i个词对应的向量是qi,ki,vi。图中当前词是第一个词Thinking，那么每个词的score就是q1点乘ki。
• 3.score除以8(可以是其他数，目的是减小score，论文里取q向量维数的开方，就是8)并将所有的score进行Softmax。Softmax是注意力机制都会做的，这个softmax score就是当在处理当前词时分配给每个词的注意力的百分比。
• 4.现在要用到value向量了，将上一步得到的softmax score乘以对应的vi，图上就是0.88乘以v1,0.12乘以v2，自然的经过这一步之后，score小的(相关性不强或者说注意力分配少的)词的value就会小，反之，score大的(需要特别注意的)词的value就会大。
• 5.把加工过后的所有value加在一起得到z向量，注意图上z1是针对“Thinking”计算出来的，z2是针对“Machines"计算出来的，计算z2的value不是图上的v1和v2，需要重新计算。

（注：上面这一整个过程只是计算一个词的z向量的过程。）

在实际的实现过程中，该计算会以矩阵的形式完成，以便更快地处理。

矩阵化

过程和单个向量相同：

• 1.计算Q/K/V矩阵，看图就清楚了：

  

  X矩阵的每一行就是一个词的embedding，三个W参数矩阵与之前说的相同。

• 2.合并之前的2-5步，直接得到Z矩阵：

  

multi-headed

论文中在Self-Attention的基础上加入了multi-headed机制，在两个方面优化了attention：

• 1.它拓展了模型关注不同位置的能力。

• 2.它为attention层提供了多个“representation subspaces（表示子空间）”。由下图可以看到，在self attention中，我们有多个个Query / Key / Value权重矩阵（Transformer使用8个attention heads）。这些集合中的每个矩阵都是随机初始化生成的。然后通过训练，用于将词嵌入（或者来自较低Encoder/Decoder的矢量）投影到不同的“representation subspaces”中。

  

通过multi-headed attention，我们为每个“header”都独立维护一套Q/K/V的权值矩阵。然后我们还是如之前单词级别的计算过程一样处理这些数据。

如果对上面的例子做同样的self attention计算，而因为我们有8头attention，所以我们会分别计算这些不同的权值矩阵，但最后结束时，我们会得到8个不同的Z矩阵。如下图：

但是有一个问题，我们的前馈神经网络需要的是一个shape为(N,512)的矩阵(N是任意值，代表同时处理多少个词)，而不是8个shape为(N,64)的矩阵，所以要把这8个Zi合成一个Z，怎么合？简单相加？取平均？这些粗暴的方法都不合适，正确的做法是让模型去学习怎么合！经过训练模型会学得比我们人工合并要好(这个思想其实可以用到以前的CNN处理NLP任务的模型中，过去大多数都是粗暴的人工合成多个embedding)。

先把8个Z按顺序拼接在一起，然后乘上一个大矩阵WO，shape是(64x8，512),可以自己结合上文各矩阵维度推一下。结果就是一个shape为(N,512)的Z。

至此multi-headed self-attention就介绍完了。放一个整体图感受一下：

如果是第一层encoder，输入就是embedding(图中X)，其他encoder就是上一个encoder的输出(图中R)

让我们重新审视我们之前tensor2tensor的例子，看看例句中的“it”这个单词在不同的attention header情况下会有怎样不同的关注点。

关于“it”这个词，不同head的关注点不同，除了橙色的head好理解之外(关注在The animal是正确的)，其他的说实话我看不懂，但是不影响模型效果好，不明觉厉？

Positional Encoding

除了注意力之外，还要关注序列问题自身的一个很重要的特点--顺序性，这也是为什么最初要用RNN处理序列问题的原因。为了解决顺序问题，Transformer为每个输入单词的embedding上添加了一个新向量-位置向量，关于如何生成这个位置向量可以看tensor2tensor源码。在上文提到的embedding上直接加上位置向量就行了，就像这样：

Residual connection(Shortcut)

在每一个self-attention和前馈神经网络层之后，都会将该层的输入与输出相加并进行LayerNormalization的操作，其实就是在每一个z层面的归一化，注意与BatchNormalization的区别。这里将输入与输出相加的形式其实就是Shortcut connection，不清楚的可以去看看ResNet的思想。

在decoder中也有这样的操作：

Decoder

Decoder的部分与常规seq2seq+Attention大致相同，其中的self-attention与encoder的相同，我就不多说了，放个示意图。其实最关键的是搞明白multi-headed self-attention是怎么编码序列信息的。