AIGC算法3：Attention及其变体

1.Attention

Attention是Transformer的核心部分，Attention机制帮助模型进行信息筛选，通过Q，K，V,对信息进行加工

1.1 attention计算公式

$$\mathrm{Attention}(Q,K,V)=\mathrm{softmax}\left(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}}\right)V$$

1.2 attention计算流程

1.3 Softmax attention

Self-attention的Q，K，V同源，都是输入序列X的线性变化，在实际生产过程中K与V相同。
F为token维度，DM为投影维度
$$\begin{array}{rl}& Q=x{W}_Q,W_Q\in {\mathbb{R}}^{F\times D}\\ & K=x{W}_K,W_K\in {\mathbb{R}}^{F\times D}\\ & V=x{W}_V,W_V\in {\mathbb{R}}^{F\times M}\end{array}$$
其中
$$\begin{array}{rl}& Q\in {\mathbb{R}}^{N\times D}\\ & K\in {\mathbb{R}}^{N\times D}\\ & V\in {\mathbb{R}}^{N\times M}\end{array}$$
$$SA(x)=\mathrm{softmax}\left(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{D}}\right)V$$
向量a是词嵌入向量，三个W矩阵是对a的线性变化

1.3.1 图解 Softmax Attention

仅考虑Decoder

行和列都表示位置；蓝色表示当前token，绿色表示参与当前token计算的其它token的位置。
Transformer中Decoder采用的方式：只能看当前token左边的token。

1.3.2 复杂度计算

对于矩$A\in {\mathbb{R}}^{(N,M)}$和$B\in {\mathbb{R}}^{(M,L)}$，它们的矩阵乘法共需要$N\times L\times M$次乘法运算。总复杂度$O(NLM)$。

回到Transformer的复杂度问题上，前面提到Softmax Attention的计算主要包含两次矩阵乘法操作。
第一次矩阵乘法是$Q\times K^T$，结合上文关于矩阵乘法复杂度的结论和这两个矩阵的大小，可知
$Q\times K^T$的复杂度为 $O\left(N^{2}D\right)$。

第二次矩阵乘法是softmax的结果与$V$ 的乘积。 softmax输出的矩阵大小为$N\times N$ ，矩阵$V$的大小为$N\times D$，所以这一次矩阵乘法的复杂度为 $O\left(N^{2}D\right)$。

因为这两次矩阵乘法是顺序执行的，所以总的复杂度为它们各自复杂度之和。因为这两个复杂度相等，相加只是引入了一个常数项，所以可以忽略，因此Softmax Attention总的复杂度就为 $O\left(N^{2}D\right)$

当我们只关心复杂度与序列长度$N$之间的关系时，可以忽略$D$并将其写为 $O\left(N^2\right)$。

这就是通常说的Transformer计算复杂度随序列长度呈二次方增长的由来。容易看到，Transformer的空间复杂随序列长度也呈二次方增长，即空间复杂度也为 $O\left(N^2\right)$
。

1.4 attention的问题与优化

传统attention存在上下文长度的约束问题，且速度慢，内存占用大

优化方向：1. 上下文 2. 内存

Attention和FFN的复杂度：长序列难题，对于base版来说，当序列长度不超过1536时，Transformer的复杂度都是近乎线性的；当序列长度超过1536时，Transformer的计算量逐渐以Attention为主，复杂度慢慢趋于二次方，直到长度超过4608，才真正以二次项为主。

2. Attention 变种

2.1 稀疏 attention（Sparse Attention）

核心在于减少每个token需要attend的token数量。

2.1.1 Factorized Self-Attention (Sparse Transformer)

Paper：Generating Long Sequences with Sparse Transformers (2019)

提出了两种稀疏Attention方法：Strided Attention和Fixed Attention。这二者均可将Transformer的
$O(N^2)$复杂度降低至$O(N\sqrt{N})$ 。

Factorized Self-Attention的一个基础假设是：在Softmax Attention中，真正为目标token提供信息的attended token非常少。

图片和自然语言领域，临近词语，像素又理论上的更高相关性，此时的Attention Weights很像CNN，卷积神经网络仅考虑临近像素之间的

Strided Attention （跨步注意力）

SA1：每个token只能Attend它左边相邻的L个token。

SA2：每个token只能Attend它左边部分token，这些attened token用如下方法选出：从自己开始往左边数，每隔L就会有一个token可以attend

使用方式:

1. 每个Transformer Block 交替使用
2. SA1 与 SA2在一次Attend中 联合使用
3. 基于trm的多头机制，对不同的SA 多头使用

Fixed Attention 固定注意力

先看FA2，如图中橙色区域。橙色区域的位置是固定的，即从左往右数，每隔L个位置，选中一个token。

理解了FA2，FA1的选择方式就会容易理解了。对于每个当前token（蓝色），往它左边遍历（绿色），直到遇到第一个FA2选中的token（橙色）。

Fixed Attention的使用方法和上文介绍的Strided Attention的三种方法一致（交替使用、联合使用、多头使用）

Strided Attention适用于图像、音频；Fixed Attention适用于文本。
Strided Attention在attended token的位置上做了强假设：哪些位置的token应该被attened，与当前token位置强相关。作者们认为这种适合图像、音频这类数据。而在文本上这类假设不成立。所以在Fixed Attention中，哪些位置的token应该被attened，与当前token位置无关。图像、音频的局部信息很重要；而文本全局信息更重要。

2.1.2 Blockwise Self-Attention

Paper：Blockwise Self-Attention for Long Document Understanding (2019)
核心： 通过分块来降低Softmax Attention的计算复杂度，方法简单，且实验效果较好。

并非全量匹配，而是分块匹配
原则为shifting one position
例如：
$\mathrm{Index}(Q)=[2,3,1]$
很简单，$Q_1$选择$K_2$和$V_2$，$Q_2$选择$K_3$和$V_3$，$Q_3$选择$K_1$和$V_1$。

2.1.3 Longformer

paper：Longformer: The Long-Document Transformer (2020)
Key Contribution：设计了多种不同的Local Attention和Global Attention方法。

分为三个部分：

Sliding Window based Attention（SW-Attention）

同 SW-1

Dilated Sliding Window based Attention（DSW-Attention）

同 SW-2

Global Attention（G-Attention）

绿色token是SW-Attention会attend到的token。橙色token是在G-Attention中额外选中的token。以第五行的当前token为例（橙色），因为它是被额外选中的token，所以它会attend它左边的所有token。图中用黄色标出了相对于SW-Attention之外的额外被attended的token。此外，其它所有token也需要attend到第五个token，参见图中最后四行中的靠左黄色列。

2.1.4 Local attention and Memory-compressed attention

Paper: Generating wikipedia by summarizing long sequences (2018)

Key Contribution: 提出了Local Attention和Memory-compressed attention。Local Attention的计算复杂度随序列长度增长呈线性增长；Memory-compressed attention可以将计算复杂度减少固定常数倍（超参控制）。

Local attention

控制分块大小，每个token仅仅attend固定分块

与前文 Blockwise Self-Attention 不同，前者为固定分块大小，后者为固定分块数量。

Memory-compressed Attention

核心思路：使用额外的卷积来降低K和V的序列长度

计算复杂度从$O(N^2)$降低到$O(NL)$

2.2 Reformer

paper: Reformer: the efficient Transformer(2020)
Key contribution: 1）提出了LSH-attention，能够将Transformer的复杂度由$O(N^2)$降低至$O(NlogN)$；2）将Transformer中的跳跃连接改为了“可逆跳跃连接”，这样在网络的前向过程中不用为后续的梯度计算存储激活值，能够极大降低训练过程的存储开销。

核心：降低基于Transformer的模型在训练阶段的存储开销。

空间开销估算

0.5BTRM为例,64K序列长度，1K embedding， batch size 8

1. TRM参数量 0.5B * 4 Byte = 2G
2. self-attention激活值 64K * 1K * 8 * 4 Byte = 2G
3. 两个FFN，一个是激活值的4倍，一个是一倍，总共10G
4. 矩阵计算，64K*64K，16G

Locality-Sensitive Hashing Attention（LSH-attention）

核心思路，找到权重较大的token，不需要所有token参与计算
即在不做向量点积运算的前提下，粗略估算两向量的余弦相似度。

步骤：

1. 将两个向量投影在单位超球面上（二范数为1）
2. 对超球面施加若干次随机转动
3. 记录下每次转动后的区块，（argmax实现，扩展成2*N的向量（x,y,-x,-y）,最大值所在维度）
4. 多次转动后，每个token可获得一个hash值
5. 根据hash值对token重排序，然后分块attend
   
   可以将复杂度降低至$O(NlogN)$

Reversible Transformer

使用可逆网络的思想，减少中间激活值存储，
在attention+FFN架构中，已知前一层$X_1,X_2$，计算下一层$Y_1,Y_2$
$$\begin{array}{rl}& Y_1=X_1+\mathrm{Attention}\left(X_2\right)\\ & Y_2=X_2+\mathrm{FeedForward}\left(Y_1\right)\end{array}$$
则可以在已知$Y_1,Y_2$的情况下，恢复一层$X_1,X_2$
代价多计算一次attention和FFN
$$\begin{array}{rl}& X_2=Y_2-\mathrm{FeedForward}\left(Y_1\right)\\ & X_1=Y_1-\mathrm{Attention}\left(X_2\right)\end{array}$$
唯一需要考虑的是激活函数是否可逆，Relu和Gelu不可逆，需要注意

2.3 Adaptive Attention

paper：Adaptive Attention Span in Transformers
Key contribution: 提出了一种对不同attention head自适应选择attention长度的方法。

对于权重计算公式的改进：
$$a_{ij}=\frac{\exp \left(q_i\cdot k_j\right)}{{\sum }_{m=0}^i\exp \left(q_i\cdot k_m\right)}$$
改进为：
$$a_{ij}=\frac{d(i-j)\cdot \exp \left(q_i\cdot k_j\right)}{{\sum }_{m=0}^{i}d(i-m)\cdot \exp \left(q_i\cdot k_m\right)}$$
函数d定义：
$$d(x)=\min \left[\max \left[\frac{1}{R}(R+z-x),0\right],1\right]$$
其中R为超参数，z是需要学习的参数
函数图像为：

有效距离内，完美attaend，有效举例外衰减，类似lasso

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/634406691