NLP---Transformer

参考：https://blog.youkuaiyun.com/han_xiaoyang/article/details/86560459
https://jalammar.github.io/illustrated-transformer/
以下仅为个人学习笔记

1. 简介

• Google于2017年在论文Attention is All You Need中提出。
  论文地址：https://arxiv.org/pdf/1706.03762.pdf
• 第三方库：https://github.com/tensorflow/tensor2tensor
  pytorch支持：http://nlp.seas.harvard.edu/2018/04/03/attention.html
• 特征提取能力：Transformer > LSTM > CNN

1.1 网络结构

• 总体结构：Transformer由Encoders和Decoders组成，每个Encoders包含6个Encoder，每个Decoders包含6个Decoder，总体结构如下图所示：

• Encoder 与 Decoder 的结构：每个Encoder的结构相同，但不会共享权值。自注意力层 (self-Attention)帮助编码器在对每个单词编码时关注输入句子的其他单词。Decoder中的“编码-解码注意力层”用来关注输入句子的相关部分。 每个Encoder与Decoder的结构如下图所示：

• Encoder的输入：每个单词都被嵌入为512维的向量。词嵌入过程只发生在最底层的编码器中。所有的编码器都接收一个向量列表，列表中每个向量的大小为512维。下一个Encoder接收前一个Encoder的输出。向量列表的大小是可以设置的超参数，一般是训练集中最长句子的长度。
• 核心特性：输入序列中每个位置的单词都有自己独特的路径流入编码器。在自注意力层中，这些路径之间存在依赖关系。而前馈层没有这些依赖关系。因此在前馈（feed-forward）层时可以并行执行各种路径。即，每个单词经过自注意力层的编码后，然后各自通过前馈神经网络层，各自通过互相之间没有依赖关系，因此可以并行执行。

1.2 优点

(1) Transformer改进了RNN最被人诟病的训练慢的缺点，利用self-attention机制实现快速并行。
(2) Transformer可以增加到非常深的深度，充分发掘DNN模型的特性，提升模型准确率。

2. self-Attention

• 宏观理解：将所有相关单词的理解融入到正在处理的单词中。可以与循环神经网络处理序列问题进行比对。

2.1 self-Attention的计算过程

为了方便理解，可以先看向量形式的计算过程，即先从一个词的计算过程进行理解。以下，直接从矩阵形式计算过程进行总结，实际在计算机中运算时是以矩阵形式。变量声明：假设所有句子中最长的序列为m，词嵌入维度为n，n=512。

(1) 计算查询矩阵(query vector)、键矩阵(key vector)和值矩阵(value vector)。

• 输入句子的词嵌入矩阵为 $X\in R^{m\times n}$，即每一行代表一个单词的词嵌入向量。
• 三个训练权重矩阵分别为 $W^Q,W^K,W^V$，其维度均为 $n\times \tilde{n},\tilde{n}=64$。
• 那么得到的矩阵$Q,K,V$的维度为 $m\times \tilde{n}$.
  其计算过程如下如图所示：

(2) 得到自注意力层的输出。
$$Z=softmax(\frac{Q\times K^T}{\sqrt{d_k}})\cdot V$$
其计算过程如下图所示：

• 其中 $Q\times K^T$ 是计算得分矩阵。得分矩阵的意义：拿输入句子中的每个单词对当前单词打分，这些分数决定了在编码当前单词的过程中有多重视句子的其他单词。或者说每个单词对编码当前单词的贡献。
• $\sqrt{d_k}=8$，8是论文中使用的键向量的维数 $d_k=64$ 的平方根，这会让梯度更稳定。这里也可以使用其它值，8只是默认值。
• 每个值向量乘以softmax分数的意义：关注语义上相关的单词，并弱化不相关的单词。

2.2 Multi-Headed Attention 机制

• 多头注意力机制：通过多组独立的训练权重矩阵得到多组查询矩阵、键矩阵和值矩阵，从而得到多个不同的 $Z$ 矩阵。论文设置了8组，即有8个注意力头。(此处多提一下，$8\ast \tilde{n}=512$ 与词嵌入向量的维度 $n=512$ 相对应。)
  需要注意的是，前馈层接收的是一个与词嵌入矩阵维度相同的矩阵，因此需要将8个注意力头拼接起来（横向拼接，即$[Z_0,Z_1,\cdots ,Z_7]$）再乘以一个 $W^o$ 矩阵进行压缩，然后再输入到前馈层。$W^o$ 矩阵也是需要训练的。
• 到目前为止，self-Attention 的整体过程的宏观结构如下图所示：

• 多头注意力机制为 Self-Attention 带来的改善：
  (1) 扩展了模型关注不同位置的能力。如果只有一个注意力头，很可能永远被当前词所决定。
  (2) 给出了注意力层的多个 “表示子空间” (representation subspaces)。通过训练，8个注意力头将词嵌入投影到不同的子空间，增加了模型的语意表达能力。

3. 使用位置编码表示序列的顺序 (positional encoding)

想一想，根据之前的描述是不是没有考虑单词之间的顺序，为了解决这个问题，Transformer为每个单词添加了位置编码向量 (positional encoding)，这些向量的值遵循特定的模式。原始论文中计算位置编码向量的公式见3.5节，这种编码方式的优点是能够扩展到未知的序列长度 (例如，当我们训练出的模型需要翻译远比训练集里的句子更长的句子时)。举例如下图所示：

4. 残差 (Residuals) 和 层-归一化 (Layer-Normalization)

• 在编码器和解码器结构中都有一个细节：在每个 Encoder/Decoder 中的每一个子层周围都一个残差连接，并都跟随着一个 Layer-Normalization，如下图所示：

• Layer-Normalization参考：https://arxiv.org/abs/1607.06450

5. Decoders

以上主要都是基于Encoders来理解的，这部分补充一些关于Decoders的内部细节。

5.1 自注意力层和编码-解码注意力层

• 结构：一个包含2层编码-解码结构的Transformer如下图所示：

• 工作流程：解码器的工作流程宏观上如下图所示：

解码阶段的每个步骤都会输出一个输出序列，直到输出一个特殊的终止符号，它表示transformer的解码器已经完成了它的输出。每个步骤的输出在下一个时间步被提供给底端解码器。需要注意的是，解码器也会给每个单词添加位置编码。

• 自注意力层：在解码器中，自注意力层只被允许处理输出序列中更靠前的那些位置。在softmax步骤前，它会把后面的位置给隐去（把它们设为-inf）。
• 编码-解码注意力层：顶端编码器的输出之后会转化为一个包含向量 $K$(键向量)和 $V$(值向量)的注意力向量集 。这些向量将被每个解码器用于自身的“编码-解码注意力层”，这些层可以帮助解码器关注输入序列的哪些位置。另外，“编码-解码注意力层”工作方式基本就像多头自注意力层一样，只不过它是通过在它下面的层来创造查询矩阵，并且从编码器的输出中取得键/值矩阵。

5.2 最终的线性变换和Softmax层

• 线性变换层：解码组件最后会输出一个实数向量，线性变换层是一个简单的全连接神经网络，它可以把解码组件产生的向量投射到“输出词汇表”大小的向量，向量的每一个维度对应该位置单词的分数。
• softmax层：将线性变换层的分数向量转变成概率向量，并输出概率最高的位置对应的单词。