科学空间|Scientific Spaces

上一篇文章《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》我们讨论了Transformer的长度外推性，得出的结论是长度外推性是一个训练和预测的不一致问题，而解决这个不一致的主要思路是将注意力局部化，很多外推性好的改进某种意义上都是局部注意力的变体。诚然，目前语言模型的诸多指标看来局部注意力的思路确实能解决长度外推问题，但这种“强行截断”的做法也许会不符合某些读者的审美，因为人工雕琢痕迹太强，缺乏了自然感，同时也让人质疑它们在非语言模型任务上的有效性。

本文我们从模型对位置编码的鲁棒性角度来重新审视长度外推性这个问题，此思路可以在基本不对注意力进行修改的前提下改进Transformer的长度外推效果，并且还适用多种位置编码，总体来说方法更为优雅自然，而且还适用于非语言模型任务。

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对于Transformer模型来说，其长度的外推性是我们一直在追求的良好性质，它是指我们在短序列上训练的模型，能否不用微调地用到长序列上并依然保持不错的效果。之所以追求长度外推性，一方面是理论的完备性，觉得这是一个理想模型应当具备的性质，另一方面也是训练的实用性，允许我们以较低成本（在较短序列上）训练出一个长序列可用的模型。

下面我们来分析一下加强Transformer长度外推性的关键思路，并由此给出一个“超强基线”方案，然后我们带着这个“超强基线”来分析一些相关的研究工作。

思维误区

第一篇明确研究Transformer长度外推性的工作应该是ALIBI，出自2021年中期，距今也不算太久。为什么这么晚（相比Transformer首次发表的2017年）才有人专门做这个课题呢？估计是因为我们长期以来，都想当然地认为Transformer的长度外推性是位置编码的问题，找到更好的位置编码就行了。

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在去年的文章《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），当时的出发点只是觉得用绝对位置来实现相对位置是一件“很好玩的事情”，并没料到其实际效果还相当不错，并为大家所接受，不得不说这真是一个意外之喜。后来，在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中，笔者讨论了二维形式的RoPE，并研究了用矩阵指数表示的RoPE的一般解。

既然有了一般解，那么自然就会引出一个问题：我们常用的RoPE，只是一个以二维旋转矩阵为基本单元的分块对角矩阵，如果换成一般解，理论上效果会不会更好呢？本文就来回答这个问题。

指数通解

在《Transformer升级之路：4、二维位置的旋转式位置编码》中，我们将RoPE抽象地定义为任意满足下式的方阵
\begin{equation}\boldsymbol{\mathcal{R}}_m^{\top}\boldsymbol{\mathcal{R}}_n=\boldsymbol{\mathcal{R}}_{n-m}\label{eq:re}\end{equation}

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位置编码是Transformer中很重要的一环，在《让研究人员绞尽脑汁的Transformer位置编码》中我们就总结了一些常见的位置编码设计。大体上，我们将Transformer的位置编码分为“绝对位置编码”和“相对位置编码”两类，其中“相对位置编码”在众多NLP/CV的实验表现相对来说更加好些。

然而，我们可以发现，目前相对位置编码几乎都是在Softmax之前的Attention矩阵上进行操作的，这种施加方式实际上都存在一个理论上的缺陷，使得Transformer无法成为“万能拟合器”。本文就来分析这个问题，并探讨一些解决方案。

简单探针

顾名思义，位置编码就是用来给模型补充上位置信息的。那么，如何判断一个模型有没有足够的识别位置的能力呢？笔者之前曾构思过一个简单的探针实验：

对于一个有识别位置能力的模型，应该有能力准确实现如下映射 \begin{equation}\begin{array}{lc} \text{输入：} & [0, 0, \cdots, 0, 0] \\ & \downarrow\\ \text{输出：} & [1, 2, \cdots, n-1, n] \end{array}\end{equation}

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在《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中，我们介绍了GAU（Gated Attention Unit，门控线性单元），在这里笔者愿意称之为“目前最有潜力的下一代Attention设计”，因为它真正达到了“更快（速度）、更好（效果）、更省（显存）”的特点。

然而，有些读者在自己的测试中得到了相反的结果，比如收敛更慢、效果更差等，这与笔者的测试结果大相径庭。本文就来分享一下笔者自己的训练经验，并且放出一个尝鲜版“GAU-α”供大家测试。

开源地址：https://github.com/ZhuiyiTechnology/GAU-alpha

GAU-α

首先介绍一下开源出来的“GAU-α”在CLUE任务上的成绩单：
$$\tiny{\begin{array}{c|ccccccccccc}
\hline
& \text{iflytek} & \text{tnews} & \text{afqmc} & \text{cmnli} & \text{ocnli} & \text{wsc} & \text{csl} & \text{cmrc2018} & \text{c3} & \text{chid} & \text{cluener}\\
\hline
\text{BERT} & 60.06 & 56.80 & 72.41 & 79.56 & 73.93 & 78.62 & 83.93 & 56.17 & 60.54 & 85.69 & 79.45 \\
\text{RoBERTa} & 60.64 & \textbf{58.06} & 74.05 & 81.24 & 76.00 & \textbf{87.50} & 84.50 & 56.54 & 67.66 & 86.71 & 79.47\\
\text{RoFormer} & 60.91 & 57.54 & 73.52 & 80.92 & \textbf{76.07} & 86.84 & 84.63 & 56.26 & 67.24 & 86.57 & 79.72\\
\text{RoFormerV2}^* & 60.87 & 56.54 & 72.75 & 80.34 & 75.36 & 80.92 & 84.67 & 57.91 & 64.62 & 85.09 & \textbf{81.08}\\
\hline
\text{GAU-}\alpha & \textbf{61.41} & 57.76 & \textbf{74.17} & \textbf{81.82} & 75.86 & 79.93 & \textbf{85.67} & \textbf{58.09} & \textbf{68.24} & \textbf{87.91} & 80.01\\
\hline
\end{array}}$$

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在文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们推导了一版具有熵不变性质的注意力机制：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{\kappa \log n}{d}QK^{\top}\right)V\label{eq:a}\end{equation}
可以观察到，它主要是往Softmax里边引入了长度相关的缩放因子$\log n$来实现的。原来的推导比较繁琐，并且做了较多的假设，不利于直观理解，本文为其补充一个相对简明快速的推导。

推导过程

我们可以抛开注意力机制的背景，直接设有$s_1,s_2,\cdots,s_n\in\mathbb{R}$，定义
$$p_i = \frac{e^{\lambda s_i}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{\lambda s_i}}$$

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不知道大家留意到一个细节没有，就是当前NLP主流的预训练模式都是在一个固定长度（比如512）上进行，然后直接将预训练好的模型用于不同长度的任务中。大家似乎也没有对这种模式有过怀疑，仿佛模型可以自动泛化到不同长度是一个“理所应当”的能力。

当然，笔者此前同样也没有过类似的质疑，直到前几天笔者做了Base版的GAU实验后才发现GAU的长度泛化能力并不如想象中好。经过进一步分析后，笔者才明白原来这种长度泛化的能力并不是“理所当然”的......

模型回顾

在《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中，我们介绍了“门控注意力单元GAU”，它是一种融合了GLU和Attention的新设计。

除了效果，GAU在设计上给我们带来的冲击主要有两点：一是它显示了单头注意力未必就逊色于多头注意力，这奠定了它“快”、“省”的地位；二是它是显示了注意力未必需要Softmax归一化，可以换成简单的$\text{relu}^2$除以序列长度：
\begin{equation}\boldsymbol{A}=\frac{1}{n}\text{relu}^2\left(\frac{\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}}{\sqrt{s}}\right)=\frac{1}{ns}\text{relu}^2\left(\mathcal{Q}(\boldsymbol{Z})\mathcal{K}(\boldsymbol{Z})^{\top}\right)\end{equation}

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Pre Norm与Post Norm之间的对比是一个“老生常谈”的话题了，本博客就多次讨论过这个问题，比如文章《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》、《模型优化漫谈：BERT的初始标准差为什么是0.02？》等。目前比较明确的结论是：同一设置之下，Pre Norm结构往往更容易训练，但最终效果通常不如Post Norm。Pre Norm更容易训练好理解，因为它的恒等路径更突出，但为什么它效果反而没那么好呢？

笔者之前也一直没有好的答案，直到前些时间在知乎上看到 @唐翔昊 的一个回复后才“恍然大悟”，原来这个问题竟然有一个非常直观的理解！本文让我们一起来学习一下。

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