科学空间|Scientific Spaces

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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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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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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近年来，RNN由于其线性的训练和推理效率，重新吸引了不少研究人员和用户的兴趣，隐约有“文艺复兴”之势，其代表作有RWKV、RetNet、Mamba等。当将RNN用于语言模型时，其典型特点就是每步生成都是常数的空间复杂度和时间复杂度，从整个序列看来就是常数的空间复杂度和线性的时间复杂度。当然，任何事情都有两面性，相比于Attention动态增长的KV Cache，RNN的常数空间复杂度通常也让人怀疑记忆容量有限，在Long Context上的效果很难比得上Attention。

在这篇文章中，我们表明Causal Attention可以重写成RNN的形式，并且它的每一步生成理论上也能够以$\mathcal{O}(1)$的空间复杂度进行（代价是时间复杂度非常高，远超平方级）。这表明Attention的优势（如果有的话）是靠计算堆出来的，而不是直觉上的堆内存，它跟RNN一样本质上都是常数量级的记忆容量（记忆瓶颈）。

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不论是在基础的分类任务中，还是如今无处不在的注意力机制中，概率分布的构建都是一个关键步骤。具体来说，就是将一个$n$维的任意向量，转换为一个$n$元的离散型概率分布。众所周知，这个问题的标准答案是Softmax，它是指数归一化的形式，相对来说比较简单直观，同时也伴有很多优良性质，从而成为大部分场景下的“标配”。

尽管如此，Softmax在某些场景下也有一些不如人意之处，比如不够稀疏、无法绝对等于零等，因此很多替代品也应运而生。在这篇文章中，我们将简单总结一下Softmax的相关性质，并盘点和对比一下它的部分替代方案。

Softmax回顾

首先引入一些通用记号：$\boldsymbol{x} = (x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$是需要转为概率分布的$n$维向量，它的分量可正可负，也没有限定的上下界。$\Delta^{n-1}$定义为全体$n$元离散概率分布的集合，即
\begin{equation}\Delta^{n-1} = \left\{\boldsymbol{p}=(p_1,p_2,\cdots,p_n)\left|\, p_1,p_2,\cdots,p_n\geq 0,\sum_{i=1}^n p_i = 1\right.\right\}\end{equation}
之所以标注$n-1$而不是$n$，是因为约束$\sum\limits_{i=1}^n p_i = 1$定义了$n$维空间中的一个$n-1$维子平面，再加上$p_i\geq 0$的约束，$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$的集合就只是该平面的一个子集，即实际维度只有$n-1$。

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在前面的文章中，我们曾表达过这样的观点：多模态LLM相比纯文本LLM的主要差异在于，前者甚至还没有形成一个公认为标准的方法论。这里的方法论，不仅包括之前讨论的生成和训练策略，还包括一些基础架构的设计，比如本文要谈的“多模态位置编码”。

对于这个主题，我们之前在《Transformer升级之路：17、多模态位置编码的简单思考》就已经讨论过一遍，并且提出了一个方案（RoPE-Tie）。然而，当时笔者对这个问题的思考仅处于起步阶段，存在细节考虑不周全、认识不够到位等问题，所以站在现在的角度回看，当时所提的方案与完美答案还有明显的距离。

因此，本文我们将自上而下地再次梳理这个问题，并且给出一个自认为更加理想的结果。

多模位置

多模态模型居然连位置编码都没有形成共识，这一点可能会让很多读者意外，但事实上确实如此。对于文本LLM，目前主流的位置编码是RoPE（RoPE就不展开介绍了，假设读者已经熟知），更准确来说是RoPE-1D，因为原始设计只适用于1D序列。后来我们推导了RoPE-2D，这可以用于图像等2D序列，按照RoPE-2D的思路我们可以平行地推广到RoPE-3D，用于视频等3D序列。

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众所周知，目前主流的LLM，都是基于Causal Attention的Decoder-only模型（对此我们在《为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？》也有过相关讨论），而对于Causal Attention，已经有不少工作表明它不需要额外的位置编码（简称NoPE）就可以取得非平凡的结果。然而，事实是主流的Decoder-only LLM都还是加上了额外的位置编码，比如RoPE、ALIBI等。

那么问题就来了：明明说了不加位置编码也可以，为什么主流的LLM反而都加上了呢？不是说“多一事不如少一事”吗？这篇文章我们从三个角度给出笔者的看法：

1、位置编码对于Attention的作用是什么？

2、NoPE的Causal Attention是怎么实现位置编码的？

3、NoPE实现的位置编码有什么不足？

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