科学空间|Scientific Spaces

很多时候我们将深度学习模型的训练过程戏称为“炼丹”，因为整个过程跟古代的炼丹术一样，看上去有一定的科学依据，但整体却给人一种“玄之又玄”的感觉。尽管本站之前也关注过一些优化器相关的工作，甚至也写过《从动力学角度看优化算法》系列，但都是比较表面的介绍，并没有涉及到更深入的理论。为了让以后的炼丹更科学一些，笔者决定去补习一些优化相关的理论结果，争取让炼丹之路多点理论支撑。

在本文中，我们将学习随机梯度下降（SGD）的一个非常基础的收敛结论。虽然现在看来，该结论显得很粗糙且不实用，但它是优化器收敛性证明的一次非常重要的尝试，特别是它考虑了我们实际使用的是随机梯度下降（SGD）而不是全量梯度下降（GD）这一特性，使得结论更加具有参考意义。

问题设置

设损失函数是$L(\boldsymbol{x},\boldsymbol{\theta})$，其实$\boldsymbol{x}$是训练集，而$\boldsymbol{\theta}\in\mathbb{R}^d$是训练参数。受限于算力，我们通常只能执行随机梯度下降（SGD），即每步只能采样一个训练子集来计算损失函数并更新参数，假设采样是独立同分布的，第$t$步采样到的子集为$\boldsymbol{x}_t$，那么我们可以合理地认为实际优化的最终目标是
\begin{equation}L(\boldsymbol{\theta}) = \lim_{T\to\infty}\frac{1}{T}\sum_{t=1}^T L(\boldsymbol{x}_t,\boldsymbol{\theta})\label{eq:loss}\end{equation}

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之前在《Transformer升级之路：3、从Performer到线性Attention》、《为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？》等文章中，我们从Attention矩阵的“秩”的角度探讨了Attention机制，并曾经判断线性Attention不如标准Attention的关键原因正是“低秩瓶颈”。然而，这一解释对于双向的Encoder模型或许成立，但却难以适用于单向的Decoder模型，因为Decoder的Attention矩阵的上三角部分是被mask掉的，留下的下三角矩阵必然是满秩的，而既然都是满秩了，那么低秩瓶颈问题似乎就不复存在了。

所以，“低秩瓶颈”并不能完全解释线性Attention的能力缺陷。在这篇文章中，笔者试图寻求另一个角度的解释。简单来说，与标准Attention相比，线性Attention更难“集中注意力”，从而难以准确地定位到关键token，这大概是它效果稍逊一筹的主要原因。

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在生成扩散模型的发展史上，DDIM和同期Song Yang的扩散SDE都称得上是里程碑式的工作，因为它们建立起了扩散模型与随机微分方程（SDE）、常微分方程（ODE）这两个数学领域的紧密联系，从而允许我们可以利用SDE、ODE已有的各种数学工具来对分析、求解和拓展扩散模型，比如后续大量的加速采样工作都以此为基础，可以说这打开了生成扩散模型的一个全新视角。

本文我们聚焦于ODE。在本系列的（六）、（十二）、（十四）、（十五）、（十七）等博客中，我们已经推导过ODE与扩散模型的联系，本文则对扩散ODE的采样加速做简单介绍，并重点介绍一种巧妙地利用“中值定理”思想的新颖采样加速方案“AMED”。

欧拉方法

正如前面所说，我们已经有多篇文章推导过扩散模型与ODE的联系，所以这里不重复介绍，而是直接将扩散ODE的采样定义为如下ODE的求解：
\begin{equation}\frac{d\boldsymbol{x}_t}{dt} = \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t, t)\label{eq:dm-ode}\end{equation}

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前些天我们在《VQ一下Key，Transformer的复杂度就变成线性了》介绍了“Transformer-VQ”，这是通过将Key序列做VQ（Vector Quantize）变换来实现Attention复杂度线性化的方案。诚然，Transformer-VQ提供了标准Attention到线性Attentino的一个非常漂亮的过渡，给人一种“大道至简”的美感，但熟悉VQ的读者应该能感觉到，当编码表大小或者模型参数量进一步增加时，VQ很可能会成为效果提升的瓶颈，因为它通过STE（Straight-Through Estimator）估计的梯度大概率是次优的（FSQ的实验结果也算是提供了一些佐证）。此外，Transformer-VQ为了使训练效率也线性化所做的梯度截断，也可能成为将来的效果瓶颈之一。

为此，笔者花了一些时间思考可以替代掉VQ的线性化思路。从Transformer-VQ的$\exp\left(QC^{\top}\right)$形式中，笔者联想到了Performer，继而“顺藤摸瓜”地发现原来Performer可以视为Soft版的Transformer-VQ。进一步地，笔者尝试类比Performer的推导方法来重新导出Transformer-VQ，为其后的优化提供一些参考结果。

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大体上，我们可以将目前Transformer的长度外推技术分为两类：一类是事后修改，比如NTK-RoPE、YaRN、ReRoPE等，这类方法的特点是直接修改推理模型，无需微调就能达到一定的长度外推效果，但缺点是它们都无法保持模型在训练长度内的恒等性；另一类自然是事前修改，如ALIBI、KERPLE、XPOS以及HWFA等，它们可以不加改动地实现一定的长度外推，但相应的改动需要在训练之前就引入，因此无法不微调地用于现成模型，并且这类方法是否能够Scale Up还没得到广泛认可。

在这篇文章中，笔者将介绍一种意外发现的长度外推方案——“KeyNorm”——对Attention的Key序列做L2 Normalization，很明显它属于事前修改一类，但对Attention机制的修改非常小，因此看上去非常有希望能够Scale Up。

最初动机

之所以说“意外发现”，是因为该改动的原始动机并不是长度外推，而是尝试替换Scaled Dot-Product Attention中的Scale方式。我们知道，Attention的标准定义是（本文主要考虑Causal场景）
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \frac{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)\boldsymbol{v}_j}{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)},\quad \boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j\in\mathbb{R}^d\label{eq:sdpa}\end{equation}

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Efficient Transformer，泛指一切致力于降低Transformer的二次复杂度的工作，开始特指针对Attention的改进，后来更一般的思路，如傅里叶变换、线性RNN等，也被归入这个范畴。不得不说，为了降低Transformer的二次复杂度，各路大牛可谓是“八仙过海，各显神通”，各种神奇的思路“百花齐放”，笔者也从中学习到了不少理论知识。然而，尽管Efficient Transformer在理论上是精彩的，但实际上该领域一直都是不愠不火的状态，并没有实际表现十分出色的模型，在LLM火爆的今天，甚至已经逐渐淡出了大家的视野，也淡出了笔者的兴趣范围。

不过，最近有一篇论文《Transformer-VQ: Linear-Time Transformers via Vector Quantization》，却让笔者为之拍案叫绝。作者非常高明地洞察到，只需要对标准Attention的Key做一下VQ（Vector Quantize），复杂度就会自动降低为线性！这种线性化思路保留了标准Attention的形式，是标准Attention到线性Attention的一个完美过渡，同时最大程度上保留了标准Attention的能力。

高效难题

说起来，本站也算是比较早关注Efficient Transformer相关工作了，最早可以追溯到2019年解读Sparse Transformer的一篇博客《为节约而生：从标准Attention到稀疏Attention》。此后，陆续写的关于Efficient Transformer的其他博文还有

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正如“XXX is all you need”一样，有不少论文都以“简单得令人尴尬”命名（An Embarrassingly Simple XXX），但在笔者看来，这些论文大多数都是噱头多于实力。不过，笔者最近阅读到的一篇论文，真的让人不由得发出“简单得令人尴尬”的感叹～

论文的标题是《Finite Scalar Quantization: VQ-VAE Made Simple》，顾名思义，这是一篇旨在用FSQ（Finite Scalar Quantization）简化VQ-VAE的工作。随着生成模型、多模态LLM的逐渐流行，VQ-VAE及其后续工作也作为“图像的Tokenizer”而“水涨船高”。然而，VQ-VAE的训练本身也存在一些问题，而FSQ这篇论文则声称通过更简单的“四舍五入”就可以达到同样的目的，并且有着效果更好、收敛更快、训练更稳的优点。

FSQ真有这么神奇？接下来我们一起学习一下。

VQ

首先，我们来了解一下“VQ”。VQ全称是“Vector Quantize”，可以翻译为“向量量子化”或者“向量量化”，是指将无限、连续的编码向量映射为有限、离散的整数数字的一种技术。如果我们将VQ应用在自编码器的中间层，那么可以在压缩输入大小的同时，让编码结果成为一个离散的整数序列。

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我们知道，Scaled Dot-Product Attention的Scale因子是$\frac{1}{\sqrt{d}}$，其中$d$是$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}$的维度。这个Scale因子的一般解释是：如果不除以$\sqrt{d}$，那么初始的Attention就会很接近one hot分布，这会造成梯度消失，导致模型训练不起来。然而，可以证明的是，当Scale等于0时同样也会有梯度消失问题，这也就是说Scale太大太小都不行。

那么多大的Scale才适合呢？$\frac{1}{\sqrt{d}}$是最佳的Scale了吗？本文试图从梯度角度来回答这个问题。

已有结果

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经推导过标准的Scale因子$\frac{1}{\sqrt{d}}$，推导的思路很简单，假设初始阶段$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}\in\mathbb{R}^d$都采样自“均值为0、方差为1”的分布，那么可以算得
\begin{equation}\mathbb{V}ar[\boldsymbol{q}\cdot\boldsymbol{k}] = d\end{equation}

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