论文阅读：Attention is All you Need

Abstract

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贡献：

提出了Transformer，完全基于注意力机制，摒弃了循环和卷积网络。

结果：

本模型在质量上优于现有模型，同时具有更高的并行性，并且显著减少了训练时间。

1. Introduction

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• long short-term memory（LSTM）——长短期记忆网络
• gated recurrent neural networks——门控循环神经网络

循环模型通常沿着输入和输出序列的符号位置来分解计算。通过将位置与计算时间步骤对齐，它们生成一系列隐藏状态 ht，作为前一个隐藏状态 ht−1 和位置 t 的输入的函数。

Transformer完全摒弃循环网络、完全依赖注意力机制来捕捉输入和输出之间全局依赖关系的模型架构。
显著允许增加并行化。

2. Background

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减少序列计算。

• Extended Neural GPU
• ByteNet
• ConvS2S
  在这些模型中，关联任意两个输入或输出位置信号所需的操作次数随着位置之间的距离而增加。

Self-attention，是一种通过关联同一序列中不同位置来计算该序列表示的注意力机制。

End-to-end memory networks，基于一种循环注意力机制，而不是与序列对齐的循环网络。

Transformer是第一个完全依赖自注意力来计算输入和输出表示的转换模型，没有使用与序列对齐的RNN或卷积网络。

3. Model Architecture

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编码器输入x，输出z；解码器输入z，输出y。
在每一步，模型都是自回归的，在生成下一步时，使用先前生成的符号作为附加输入。

3.1 Encoder and Decoder Stacks

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编码器：

N=6，每个两层。
第一层，多头自注意力机制；
第二层，逐位置全连接前馈网络。
残差连接，层归一化，即：LayerNorm(x + Sublayer(x))。
维度$d_{model}=512$。

解码器：

N=6，每个三层。
二三层同上。
第一层，掩码多头自注意力机制。
这种掩码机制结合输出嵌入偏移一个位置，确保位置 i 的预测只能依赖于位置 i 之前已知的输出。

3.2 Attention

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注意力函数可以描述为将查询（query）和一组键-值对（key-value pairs）映射到一个输出，其中查询、键、值和输出都是向量。
输出是根据值（value）的 加权和 计算得到的，权重是通过查询（query）与相应键（key）之间的兼容性函数计算得出的。

3.2.1 Scaled Dot-Product Attention——缩放点积注意力

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输入由维度为 dk 的查询和键以及维度为 dv 的值组成，计算查询与所有键的点积，将每个点积除以 $\sqrt{d_k}$，并应用 softmax 函数以获得值的权重。
在实际应用中，会同时对一组查询计算注意力函数，使用矩阵计算。

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

• 加性注意力
• 点积注意力

对于较大的 dk 值，如果没有缩放，点积的数值可能会变得很大，从而将 softmax 函数推入梯度极小的区域，所以缩放$\sqrt{d_k}$ 。

为什么选择 $\sqrt{d_k}$​​ 而不是其他数，这与点积结果的统计性质有关。

3.2.2 Multi-Head Attention

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h=8，dk=dv=dmodel/h=64

将查询、键和值分别线性投影为 dk、dk 和 dv 维度的 h 次不同的线性投影。
在这些投影后的查询、键和值上并行执行注意力函数，得到 dv​ 维度的输出值。
输出拼接起来，并再次投影，得到最终的输出值。

多头注意力允许模型在不同的位置上同时关注来自不同表示子空间的信息。

多头注意力公式：
$$MultiHead(Q,K,V)=Concat(hea{d}_1,\dots ,hea{d}_h)W^O$$
第 i 个头的注意力为:
$$hea{d}_i=Attention(Q{W}_i^Q,K{W}_i^K,V{W}_i^V)$$
投影矩阵分别为：
$$W_i^Q\in {\mathbb{R}}^{d_{model}\times d_k},W_i^K\in {\mathbb{R}}^{d_{model}\times d_k},W_i^V\in {\mathbb{R}}^{d_{model}\times d_v},W^O\in {\mathbb{R}}^{h{d}_v\times d_{model}}.$$

3.2.3 Applications of Attention in our Model

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编码器-解码器注意力层：

查询来自前一层的解码器，键和值来自编码器的输出。

编码器自注意力层：

键、值和查询全部来自同一个地方，它们都来自编码器中前一层的输出。

解码器自注意力层：

允许解码器中的每个位置关注解码器中该位置及之前的所有位置。
需要阻止解码器中的左向信息流动。

3.3 Position-wise Feed-Forward Networks——按位置的前馈网络

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编码器和解码器中的每一层还包含一个全连接的前馈网络。
该网络由两次线性变换构成，中间使用 ReLU 激活函数：
$$FFN(x)=\max (0,x{W}_1+b_1)W_2+b_2$$
线性变换在不同位置之间是相同的，但它们在不同层次之间使用不同的参数。

另一种描述方式是将其看作两个卷积，卷积核大小为1。输入和输出的维度为 dmodel=512，而内部层的维度为 dff=2048。

3.4 Embeddings and Softmax——嵌入和Softmax

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使用学习到的嵌入（embeddings）来将输入标记（tokens）和输出标记转换为dmodel维的向量。
使用常规的线性变换和 Softmax 函数将解码器的输出转换为预测的下一个标记的概率。
在两个嵌入层和 Softmax 之前的线性变换中共享相同的权重矩阵。
在嵌入层中，将这些权重乘以 $\sqrt{d_{model}}$ ​​。

3.5 Positional Encoding——位置编码

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在编码器和解码器堆栈的底部将“位置编码”添加到输入嵌入中。
位置编码的维度与嵌入相同，均为 dmodel​，这样两者可以相加。
位置编码使用不同频率的正弦和余弦函数：
$$PE(pos,2i)=\sin \left(\frac{pos}{10000^{\frac{2i}{d_{model}}}}\right)$$
$$PE(pos,2i+1)=\cos \left(\frac{pos}{10000^{\frac{2i}{d_{model}}}}\right)$$
pos 是位置，i 是维度。
位置编码的每个维度都对应于一个正弦波。
对于任何固定的偏移量 k，位置 $P{E}_{pos+k}$​ 可以表示为位置 $P{E}_{pos}$​ 的线性函数。

4. Why Self-Attention

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自注意力层与
将一个可变长度的符号表示序列（x1, …, xn）映射到另一个等长度的序列（z1, …, zn）的循环层和卷积层
进行比较。

• 总计算复杂度
• 并行化的计算量
• 长距离依赖的路径长度

学习长距离依赖，一个关键因素是前向和后向信号在网络中必须穿过的路径长度。输入和输出序列中任意位置组合之间的这些路径越短，学习长距离依赖就越容易。
比较了由不同类型层组成的网络中任意两个输入和输出位置之间的最大路径长度。

在计算复杂度方面，当序列长度n小于表示维度d时，自注意力层比循环层更快。

为了提高涉及非常长序列的任务的计算性能，自注意力可以限制为仅考虑输入序列中以相应输出位置为中心的、大小为r的邻域。这将使最大路径长度增加到O(n/r)。

具有核宽度k < n的单个卷积层不会连接所有输入和输出位置对。在连续核的情况下，这需要堆叠O(n/k)个卷积层；在膨胀卷积的情况下，则需要O(logk(n))个卷积层。

不仅单个注意力头明显学会了执行不同的任务，而且许多注意力头似乎表现出与句子句法和语义结构相关的行为。

可分离卷积大大降低了复杂度，降至O(k · n · d + n · d^2)。

5. Training

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5.1 Training Data and Batching

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• WMT 2014英德数据集
• 每个训练批次包含一组句子对，其中包含大约25,000个源标记和25,000个目标标记。

5.2 Hardware and Schedule

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• 8个NVIDIA P100 GPU
• 基础模型训练了100,000个步骤，12小时
• 大型模型训练了300,000个步骤，3.5天

5.3 Optimizer

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• Adam优化器
• ${\beta }_1=0.9$、${\beta }_2=0.98$ 和 $ϵ=10^{-9}$

学习率公式：
$$lrate=d_{\text{model}}^{-0.5}\cdot \min ({\text{step\_num}}^{-0.5},\text{step\_num}\cdot {\text{warmup\_steps}}^{-1.5})$$
对应于在前 $warmup\_steps$ 个训练步骤中线性增加学习率，此后按步数的平方根倒数比例减少学习率。
设置 $warmup\_steps=4000$ 。

5.4 Regularization

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三种正则化方法：

残差 Dropout：

每个子层的输出加入残差并进行归一化之前应用 dropout。
编码器和解码器堆栈中的嵌入和位置编码的和上应用 dropout。
dropout 率为 $P_{drop}=0.1$

标签平滑：

值为 ${ϵ}_{ls}=0.1$。
影响困惑度，因为模型会学得不那么确定，但能提高准确度和 BLEU 分数。

6. Results

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6.1 Machine Translation

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6.2 Model Variations

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7. Conclusion

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Transformer，这是第一个完全基于注意力机制的序列转换模型，它用多头自注意力替代了在编码器-解码器架构中最常用的循环层。

计划将 Transformer 扩展到涉及文本以外的输入和输出模式的问题中，并研究局部、受限的注意力机制，以便高效处理如图像、音频和视频等大型输入和输出。减少生成过程的顺序性也是研究目标之一。