transformer架构为什么要切分为多头？

Transformer架构将注意力机制切分为多个头，主要是为了增强模型的多角度信息捕捉能力和计算效率。下面我将从几个关键方面详细解释这种设计的必要性。

1. 多角度语义信息捕捉

单头注意力机制只能学习一种固定的注意力模式，而多头注意力允许模型同时从不同的语义子空间捕捉多样化的信息关系。

以句子“猫坐在垫子上”为例：

• 头1可能专注于语法结构，捕捉“猫”和“坐”之间的主谓关系

• 头2可能关注动作与对象的关系，连接“坐”和“垫子”

• 头3可能分析空间位置信息，理解“在…上”的含义

• 其他头可能分别关注时态、语义角色等不同层面的信息

这种多角度并行分析使得模型能够形成对文本更全面、更立体的理解，避免了单头注意力“视角单一”的局限性。

2. 增强模型表达能力

多头设计实质上是将复杂的语义理解任务分解到多个子空间中分别处理，相当于“分而治之”的策略。

• 子空间专业化：每个头学习在特定的表示子空间中专注特定类型的模式识别

• 非线性增强：多头的并行处理增强了模型的非线性表达能力

• 抗干扰性：即使某个头学习效果不理想，其他头也能弥补，提高训练稳定性

研究表明，不同的头会自发学习不同类型的注意力模式，如关注局部依赖、长距离依赖、语法关系等。

3. 计算效率优化

虽然表面上增加了计算单元，但多头设计实际上带来了显著的效率提升。

• 维度分解：将高维的Q、K、V向量切分为多个低维子向量（如512维切分为8个64维的头）

• 并行计算：各个头可以完全并行计算，充分利用现代硬件（如GPU）的并行处理能力

• 计算量优化：虽然头数增加，但每个头的维度降低，总计算量得到控制

这类似于使用多个小卷积核代替大卷积核的思路，在保持表达力的同时降低了计算复杂度。

4. 缓解高维空间中的距离度量问题

在极高维空间中（如GPT-3的12288维），向量点积计算注意力权重会面临距离度量失效的问题。

• 高维空间中向量趋向高度分散，点积相似度计算变得不够敏感

• 将高维空间切分为多个低维子空间后，点积计算在低维空间中更加有效和稳定

例如，GPT-3采用96个头，每个头仅128维，在这种相对低维空间中，注意力权重的计算更加精确可靠。

5. 头数的选择与平衡

多头注意力的效果并非头数越多越好，需要在表达力和计算成本之间取得平衡。

• 经验值：常用头数为8、12、16、96等（如BERT-base为12头，GPT-3为96头）

• 头数过多会导致计算量增加和信息冗余，不同头可能学习到相似的注意力模式

• 头数过少则无法充分发挥多角度关注的优势，模型可能过度关注某种单一模式

实际应用中需要根据模型大小、任务复杂度和计算资源进行实验调优，找到最佳的头数配置。

总结

下表对比了单头与多头注意力机制的主要差异：

特性 单头注意力 多头注意力
信息视角 单一，可能片面 多角度，全面综合
表达能力 有限 显著增强
计算效率 序列长时效率低 高度并行，优化计算
鲁棒性 依赖单一注意力机制 多头互补，更加稳定
适用场景 简单任务 复杂语言理解任务

Transformer的多头注意力机制通过功能分解和并行处理，在不过度增加计算成本的前提下，显著提升了模型的语言理解能力和表达能力，这是其能够在各类NLP任务中取得突破性成果的关键设计之一。