科学空间|Scientific Spaces

对关心如何扩展LLM的Context长度的读者来说，上周无疑是激动人心的一周，开源社区接连不断地出现令人振奋的成果。首先，网友@kaiokendev在他的项目SuperHOT中实验了“位置线性内插”的方案，显示通过非常少的长文本微调，就可以让已有的LLM处理Long Context。几乎同时，Meta也提出了同样的思路，带着丰富的实验结果发表在论文《Extending Context Window of Large Language Models via Positional Interpolation》上。惊喜还远不止此，随后网友@bloc97提出了NTK-aware Scaled RoPE，实现了不用微调就可以扩展Context长度的效果！

以上种种进展，尤其是NTK-aware Scaled RoPE，迫使笔者去重新思考RoPE的含义。经过分析，笔者发现RoPE的构造可以视为一种$\beta$进制编码，在这个视角之下，开源社区的这些进展可以理解为对进制编码编码的不同扩增方式。

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预训练刚兴起时，在语言模型的输出端重用Embedding权重是很常见的操作，比如BERT、第一版的T5、早期的GPT，都使用了这个操作，这是因为当模型主干部分不大且词表很大时，Embedding层的参数量很可观，如果输出端再新增一个独立的同样大小的权重矩阵的话，会导致显存消耗的激增。不过随着模型参数规模的增大，Embedding层的占比相对变小了，加之《Rethinking embedding coupling in pre-trained language models》等研究表明共享Embedding可能会有些负面影响，所以现在共享Embedding的做法已经越来越少了。

本文旨在分析在共享Embedding权重时可能遇到的问题，并探索如何更有效地进行初始化和参数化。尽管共享Embedding看起来已经“过时”，但这依然不失为一道有趣的研究题目。

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上周在《Transformer升级之路：12、无限外推的ReRoPE？》中，笔者提出了ReRoPE和Leaky ReRoPE，诸多实验结果表明，它们能够在几乎不损失训练效果的情况下免微调地扩展LLM的Context长度，并且实现了“longer context, lower loss”的理想特性，此外跟NTK-aware Scaled RoPE不同的是，其中ReRoPE似乎还有表现出了无限的Context处理能力。

总之，ReRoPE看起来相当让人满意，但美中不足的是会增加推理成本，具体表现为第一步推理需要算两次Attention，以及后续每步推理需要重新计算位置编码。本文试图通过在训练中逆用Leaky ReRoPE的方法来解决这个问题。

回顾

让我们不厌其烦地重温一下：RoPE形式上是一种绝对位置编码，但实际达到的效果是相对位置编码，对应的相对位置矩阵是：
\begin{equation}\begin{pmatrix}0 & \\
1 & 0 & \\
2 & 1 & 0 &\\
3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\small{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\small{L - 1} & \small{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\end{pmatrix}\label{eq:rope}\end{equation}

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目前在LLM中最流行的Tokenizer（分词器）应该是Google的SentencePiece了，因为它符合Tokenizer的一些理想特性，比如语言无关、数据驱动等，并且由于它是C++写的，所以Tokenize（分词）的速度很快，非常适合追求效率的场景。然而，它也有一些明显的缺点，比如训练速度慢（BPE算法）、占用内存大等，同时也正因为它是C++写的，对于多数用户来说它就是黑箱，也不方便研究和二次开发。

事实上，Tokenizer的训练就相当于以往的“新词发现”，而笔者之前也写过中文分词和最小熵系列文章，对新词发现也有一定的积累，所以很早之前就有自己写一版Tokenizer的想法。这几天总算腾出了时间初步完成了这件事情，东施效颦SentencePiece，命名为“BytePiece”。

Github：https://github.com/bojone/bytepiece

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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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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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众所周知，分类任务的标准损失是交叉熵（Cross Entropy，等价于最大似然MLE，即Maximum Likelihood Estimation），它有着简单高效的特点，但在某些场景下也暴露出一些问题，如偏离评价指标、过度自信等，相应的改进工作也有很多，此前我们也介绍过一些，比如《再谈类别不平衡问题：调节权重与魔改Loss的对比联系》、《如何训练你的准确率？》、《缓解交叉熵过度自信的一个简明方案》等。由于LLM的训练也可以理解为逐token的分类任务，默认损失也是交叉熵，因此这些改进工作在LLM流行的今天依然有一定的价值。

在这篇文章中，我们介绍一篇名为《EMO: Earth Mover Distance Optimization for Auto-Regressive Language Modeling》的工作，它基于最优传输思想提出了新的改进损失函数EMO，声称能大幅提高LLM的微调效果。其中细节如何？让我们一探究竟。

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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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