论文解读Attention Is All You Need

1 minute read

Published: July 02, 2019

Google提出的语言模型Transformer，抛弃了传统的CNN和RNN，整个网络结构完全是由Attention机制组成。

• 传统词向量训练所有词无论在哪个句子中的哪个位置，其词向量都是固定的，不能够表达句子以及其context的含义。

• RNN（或者LSTM，GRU等）的计算限制为是顺序的，也就是说RNN相关算法只能从向右依次计算或者从右向左依次计算，这种机制带来了两个问题：

  1. 时间片t的计算依赖t-1时刻的计算结果，这样限制了模型的并行能力；

  2. 顺序计算的过程中信息会丢失，尽管LSTM等门机制的结构一定程度上缓解了长期依赖的问题，但是对于特别长期的依赖现象，LSTM依旧无能为力。

Transformer中抛弃了传统的CNN和RNN，整个网络结构完全是由Attention机制组成。更准确地讲，Transformer由且仅由self-Attenion和Feed Forward Neural Network组成。一个基于Transformer的可训练的神经网络可以通过堆叠Transformer的形式进行搭建，作者的实验是通过搭建编码器和解码器各6层，总共12层的Encoder-Decoder。

为了解决RNN的问题，transformer只用了attention机制，抛弃了传统RNN或CNN结构，将序列中的任意两个位置之间的距离是缩小为一个常量；其次它不是类似RNN的顺序结构，因此具有更好的并行性，符合现有的GPU框架。

Attention Network

attention起源于cv，在nlp领域最早用于seq2seq与机器翻译。在使用RNN作为encoder时每个token输出一个定长的hidden representation，如果要在decoder端根据整个句子的信息进行预测每个翻译出来的词的概率，仅通过encoder端最终输出的一个定长向量很难表达token之间的交互信息。attention解决了这个信息瓶颈问题 [1]：

An attention network maintains a set of hidden representations that scale with the size of the source. The model uses an internal inference step to perform a soft-selection over these representations. This method allows the model to maintain a variable-length memory and has shown to be crucially important for scaling systems for many tasks.

给定input序列 x=[x1,x2,…,xn]x=[x1,x2,…,xn]，q是一个query，z是一个categorical variable，其取值是{1,…,n}，代表根据q从x中选择相关的input。attention的目标就是根据q和x的信息生成一个上下文c。通过计算z的分布z∼p(z|x,q)z∼p(z|x,q)，c可以写为期望的形式：

f(x,z)f(x,z)叫做annotation function，定义了x和z如何组合。具体来说，在一个基于RNN的机器翻译网络中，input x就是encoder RNN中每个节点的隐层，q就是decoder RNN中某个节点的隐层，z代表了翻译原文input的位置，也就是与当前decoder输入的词最相关的input的词。此时c的计算可写为：

其中p(z=i|x,q)=softmax(MLP(xi;q))p(z=i|x,q)=softmax(MLP(xi;q))。即根据q和x的关系来线性组合x。如果是self-attention的话，q就是x本身。

(图片来源：https://github.com/google/seq2seq)

Scaled Dot-Product Attention

Self-attention是一种attention机制，用来计算一个句子（中的token）的represetation，其包含了这个句子中token不同位置的关系。文章中引入了3个变量，Q，K，V。分别代表query，key，value。这3个变量都是由input embedding X与参数矩阵乘积得到的。

q代表当前中心词的attention representation，k表示周围词的attention representation。q与k相当于word2vec中的input & output embedding。k用来与q相乘得到attention score，得到词与词在句子中的相关性，v用来被softmax之后的attention score加权，加权和之后作为输出。

其中，由于矩阵乘法会改变数值量纲，所以在分母中添加dk−−√dk。对比一下万宁画的skipgram：

区别在于skipgram输入的是onehot，而transformer的input已经是词的embedding了。

Multi-head Attention

一组attention的权重参数只能够表达一种词与词之间的关系，在nlp任务中，一种关系可能不足以表达。所以通过配置多组attention权重矩阵，最后通过线性组合，来综合表达：

下图是一个2 head attention，从中可以看出，一个head关注到it所指代的东西”the animal”。另一个head侧重点在”tired”，表示该主语所对应的谓语。

Position-wise Feed-Forward Networks

每个attention的输出后面再接上一个权重共享的mlp，类似于RNN输出的h上面再接一层mlp作为输出。我觉得要加这个sub-layer的原因是再加一层激活函数，之前attention在qk内积之后加了softmax之后就再也没有非线性变换了。

Positional Encoding

单纯使用attention没有办法将序列的位置信息融入表达。

其中pos是token的位置，i是第i维embedding。

用seq_len=256，emb_size=256，positional encoding（横轴是i，纵轴是pos）：

用positional encoding而不是positional embedding的原因是什么？

文中提到使用positional embedding的效果也差不多，但是依然使用positional encoding的原因是：

It may allow the model to extrapolate to sequence lengths longer than the ones encountered during training.

知乎评论：positional encoding看起来就像是magic number。

Model Architechture

1. Residual connection

   和图像中的residual使用目的一样，让底层的有效信息直接传递给高层。

2. Encoder and Decoder Stacks

   encoder和decoder各6层stack。decoder中的结构和encoder略有不同，decoder中的第一个sublayer的multi-head attention加了一个mask，把位置i之后的给遮掉了，只让第i个query和它之前的token做attention，防止信息泄露。因为目标是预测下一个词，所以不能用到之后的词来预测自己。

3. Decoder中的两层multi-head attention

   第一个是对output sequence中之前出现的词做attention加权。第二个是对input sequence中的词做attention加权，用第一层输出的q，和encoder输出的k，v做加权。（参考attention network小节中的图）

动图演示transformer如何翻译：

[1] Kim, Y., Denton, C., Hoang, L., & Rush, A. M. (2017). Structured Attention Networks. In ICLR.

http://jalammar.github.io/illustrated-transformer/

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48508221