科学空间|Scientific Spaces

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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在文章《训练1000层的Transformer究竟有什么困难？》发布之后，很快就有读者问到如果将其用到《FLASH：可能是近来最有意思的高效Transformer设计》中的“门控注意力单元（GAU）”，那结果是怎样的？跟标准Transformer的结果有何不同？本文就来讨论这个问题。

先说结论

事实上，GAU是非常容易训练的模型，哪怕我们不加调整地直接使用“Post Norm + Xavier初始化”，也能轻松训练个几十层的GAU，并且还不用Warmup。所以关于标准Transformer的很多训练技巧，到了GAU这里可能就无用武之地了...

为什么GAU能做到这些？很简单，因为在默认设置之下，理论上$\text{GAU}(\boldsymbol{x}_l)$相比$\boldsymbol{x}_l$几乎小了两个数量级，所以
\begin{equation}\boldsymbol{x}_{l+1} = \text{LN}(\boldsymbol{x}_l + \text{GAU}(\boldsymbol{x}_l))\approx \boldsymbol{x}_l\end{equation}

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