论文精读Transformer: Attention is all you need

1 基础背景

由Google机器翻译Google Brain团队发表。
论文链接：https://arxiv.org/abs/1706.03762
源码链接：https://github.com/tensorflow/tensor2tensor
一句话概述：Attention机制摒弃了循环神经网络和卷积神经网络，一经提出就在机器翻译领域达到了SOTA。

2 Motivation

LSTM和CNN存在如下问题。
LSTM是循环执行的，依赖前一项隐藏层信息h(t-1)，天然不适合并行，而且受限于隐藏层大小，更容易丢失以前的信息。
CNN需要很多层才能把距离很远的像素或者输入联系起来，输入长度和计算复杂度成线性关系，导致（1）难以学习远距离的输入；（2）网络结构更加复杂；Transformer能够一次将所有的像素或者输入联系起来。
训练时间都很长。Transformer因为不依赖之前的信息，所以可以进行并行可算，减少计算时间。

3 解决思路

其网络结构如下所示。

3.1 Encoder

1. Input Embedding
   这一步将一个单词src变成一个向量。
2. Positional Encoding
   因为Transformer本身并不关注词源和词源之间的位置关系，每个词源会和其他词源做注意力机制，所以缺少对词源在句子中的位置的信息的捕获，在这一步通过加入位置信息，来引导Transformer理解词源的位置。
3. A stack of 6 identical layers（MultiHead + Add&Norm + FeedForward + Add&Norm）
   （1）Attention
   Attention一般分为加和additive注意力和点积dot product注意力。
   本文使用的是Scaled dot product attention，是对【QKT】除以【根号下向量长度】
   假设存在n个词源，Q的大小为 n x dk，K的大小为 n x dk，得到 n x n 的矩阵，再进行缩放。
   缩放的原因是：在向量长度过长后，向量之间差异较大（部分维度的值大，部分小），算出来的值差异大，经过softmax之后会分别靠向0和1，除以dk之后差异变小，就一定程度上避免向两端靠拢。
   注意：softmax是针对每个词源的，而不是所有放一起做。
   softmax之后的矩阵维度是 n x n，可以看做一个权重矩阵，再乘以V。
   本文采用了Multi-head attention
   在获取Q/K/V矩阵之后，将其分为h个head，每个head i有自己的Wqi/Wki/Wvi，分别乘以QKV，得到每个head对应的Qi/Ki/Vi，其维度是原本的1/h，这个head相当于创建了subspace，进行更丰富的依赖关系学习，生成的向量di再拼起来，再经过一次线性变换后得到完整的输出。
   （2）Add
   借鉴了Resnet网络，将输入直接加到输出中，可以避免梯度消失或梯度爆炸。
   （3）Norm
   这一层Norm采用的是LayerNorm，不是Batchnorm。
   （4）Feedforward
   feedforward层 = linear(512-2048) + relu + linear(2048-512)，因为是针对每个词源的，所以叫position-wise。因为之前一步的注意力已经获取了词源和词源之间的联系，所以这一步只需要针对单个词源就可以。

3.2 Decoder

1. A stack of 6 identical layers（MultiHead + Add&Norm + FeedForward + Add&Norm）
   Encoder的输出同时作为Key和Value，即这两个矩阵是相同的。
   （1）Masked multi-head attention
   因为在实际使用时，是使用的自回归auto-regression，所以前一个词预测出来之后，才会预测后一个词。
   因此，在输入时，也应该到第t个词的时候，掩盖掉t+1之后的词，具体方式是计算完QKT之后将其设置为负无穷大，那么softmax之后就变成了0，相当于0权重。
   masking out (setting to −∞) all values in the input of the softmax

4 复杂度分析

复杂度如下表
（1）当句子长度n小于token维度d时，self-attention的复杂度会低于RNN；
（2）卷积神经网络核大小k一般小于n，但是需要很多层卷积才能联系起来；
（3）如果句子长度太大了，可以限制每个词源的搜索范围，只限定和附近r个做注意力机制。

5 结果

在英语转德语的比赛和英语转法语的比赛中，均达到了SOTA。

6 知识补充

7 评价

1.相比于RNN，Transformer更少关注之前的序列信息，导致序列信息capture sequential information获取更难。
2.位置信息使用偏少lack of explicit modeling of positional information。这导致难以获取长范围的信息may not capture long-range dependencies。
3.难以获取局部的模式difficulty in capturing local patterns。因为CNN通过卷积和池化能够把局部信息联系起来，而Transformer更容易忽略这些信息。
4.Transformer的时间复杂度与序列长度成平方关系，而RNN和CNN与序列长度成正比，所以在数据集太大的时候，计算复杂度会更高computational complexity。