科学空间|Scientific Spaces

在这个系列的第二篇文章《Transformer升级之路：2、博采众长的旋转式位置编码》中，笔者提出了旋转位置编码（RoPE）——通过绝对位置的形式实现相对位置编码的方案。一开始RoPE是针对一维序列如文本、音频等设计的（RoPE-1D），后来在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中我们将它推广到了二维序列（RoPE-2D），这适用于图像的ViT。然而，不管是RoPE-1D还是RoPE-2D，它们的共同特点都是单一模态，即纯文本或者纯图像输入场景，那么对于多模态如图文混合输入场景，RoPE该做如何调整呢？

笔者搜了一下，发现鲜有工作讨论这个问题，主流的做法似乎都是直接展平所有输入，然后当作一维输入来应用RoPE-1D，因此连RoPE-2D都很少见。且不说这种做法会不会成为图像分辨率进一步提高时的效果瓶颈，它终究是显得不够优雅。所以，接下来我们试图探寻两者的一个自然结合。

旋转位置

RoPE名称中的“旋转”一词，来源于旋转矩阵$\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\begin{pmatrix}\cos n\theta & -\sin n\theta\\ \sin n\theta & \cos n\theta\end{pmatrix}$，它满足
\begin{equation}\boldsymbol{\mathcal{R}}_m^{\top}\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\boldsymbol{\mathcal{R}}_{n-m}\end{equation}

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回过头来看，才发现从第7篇《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》开始，“Transformer升级之路”这个系列就跟长度外推“杠”上了，接连9篇文章（不算本文）都是围绕长度外推展开的。如今，距离第7篇文章刚好是一年多一点，在这一年间，开源社区关于长度外推的研究有了显著进展，笔者也逐渐有了一些自己的理解，比如其实这个问题远不像一开始想象那么简单，以往很多基于局部注意力的工作也不总是有效，这暗示着很多旧的分析工作并没触及问题的核心。

在这篇文章中，笔者尝试结合自己的发现和认识，去“复盘”一下主流的长度外推结果，并试图从中发现免训练长度外推的关键之处。

问题定义

顾名思义，免训练长度外推，就是不需要用长序列数据进行额外的训练，只用短序列语料对模型进行训练，就可以得到一个能够处理和预测长序列的模型，即“Train Short, Test Long”。那么如何判断一个模型能否用于长序列呢？最基本的指标就是模型的长序列Loss或者PPL不会爆炸，更加符合实践的评测则是输入足够长的Context，让模型去预测答案，然后跟真实答案做对比，算BLEU、ROUGE等，LongBench就是就属于这类榜单。

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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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在上一篇文章《Transformer升级之路：13、逆用Leaky ReRoPE》中，笔者尝试通过在训练阶段逆用Leaky ReRoPE的思路，使得推理阶段的位置编码变为正常的RoPE，从而在达到长度外推的同时解决ReRoPE推理变慢的缺点。遗憾的是，从实验结果来看，“Leaky ReRoPE → RoPE”的效果并不如“RoPE → ReRoPE/Leaky ReRoPE”，因此这个问题尚未完全解决。

此时，笔者想到此前在《Transformer升级之路：9、一种全局长度外推的新思路》提出的HWFA本身就具有一定的长度外推能力，如果跟ReRoPE“强强联合”，是否会有更好的效果？更关键是，HWFA的加入可以大幅度降低推理成本，从而弥补ReRoPE的不足！

温故

首先，“例行公事”地回顾一下HWFA。HWFA（Hybird Window-Full Attention）并非一个具体的模型，而是一种Attention的组合方式，能够在基本保持效果不变的前提下，增强Attention模型的长度外推能力，同时还能降低训练和推理成本。

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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 \\
\tiny{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots \\
\tiny{L - 1} & \tiny{L - 2} & \ddots & \ddots & \ddots & 3 & 2 & 1 & 0 & \\
\end{pmatrix}\label{eq:rope}\end{equation}

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自从在《Transformer升级之路：11、将β进制位置进行到底》中引入混合进制的思路进一步推广了NTK-aware Scaled RoPE后，笔者感觉类似思路的效果已经达到了上限，想要更大幅度的提升就必须另辟蹊径了。这时候笔者想起了此前构思过的一个思路，该思路由于复杂度较高所以被搁置下了，既然现在已经遇到了瓶颈，那么“唯一的办法就是最好的办法”，于是便将它重拾起来。

万万没想到的是，尽管该方法增加了一些推理复杂度，但它的实验效果却惊人地好——甚至隐约有无限的长度外推能力！因此，笔者迫不及待地撰写了本文来分享该方法。由于形式上跟ReLU激活函数的相似性，所以笔者将该方法命名为“ReRoPE (Rectified Rotary Position Embeddings)”。

重温

我们知道，RoPE形式上是一种绝对位置编码，但实际上给Attention带来的是相对位置信息，即如下的Toeplitz矩阵：

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在文章《Transformer升级之路：10、RoPE是一种β进制编码》中，我们给出了RoPE的$\beta$进制诠释，并基于进制转化的思路推导了能够在不微调的情况下就可以扩展Context长度的NTK-aware Scaled RoPE。不得不说，通过类比$\beta$进制的方式来理解位置编码，确实是一个非常美妙且富有启发性的视角，以至于笔者每次深入思考和回味之时，似乎总能从中得到新的领悟和收获。

本文将重新回顾RoPE的$\beta$进制诠释，并尝试将已有的NTK-aware Scaled RoPE一般化，以期望找到一种更优的策略来不微调地扩展LLM的Context长度。

进制类比

我们知道，RoPE的参数化沿用了Sinusoidal位置编码的形式。而不知道是巧合还是故意为之，整数$n$的Sinusoidal位置编码，与它的$\beta$进制编码，有很多相通之处。

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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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