深入理解深度学习——Transformer：编码器（Encoder）部分

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Transformer中的编码器不止一个，而是由一组$N$个编码器串联而成。一个编码器的输出作为下一个编码器的输入。在下图中有$N$个编码器，每一个编码器都从下方接收数据，再输出给上方。以此类推，原句中的特征会由最后一个编码器输出。编码器模块的主要功能就是提取原始序列（图中为“I am good.”句子）中的特征。

需要注意的是，在Transformer原论文《Attention Is All You Need》中，作者使用了$N=6$，也就是说，一共有6个编码器叠加在一起。当然，我们可以尝试使用不同的$N$值。这里为了方便理解，我们使用$N=2$，如下图所示。

要进一步理解编码器的工作原理，我们可以将编码器再次分解。下图展示了编码器的组成部分。由下图可知，每一个编码器的构造都是相同的，并且包含两个部分：

• 多头注意力层
• 前馈网络层
  

其中多头注意力层即是我们在《深入理解深度学习——注意力机制（Attention Mechanism）：多头注意力（Multi-head Attention）》中介绍的多头注意力。前馈网络由两个有ReLU激活函数的全连接层组成。前馈网络的参数在句子的不同位置上是相同的，但在不同的编码器模块上是不同的。除此之外，在编码器中还有一个重要的组成部分，即叠加和归一组件。它同时连接一个子层的输入和输出，如下图所示（虚线部分），它同时连接多头注意力层的输入和输出，也同时连接前馈网络层的输入和输出。

叠加和归一组件实际上包含一个残差连接与层的归一化。层的归一化可以防止每层的值剧烈变化，从而提高了模型的训练速度。

综上所述，我们将编码器1展开可以得到如下图所示结构：

从上图中我们可以总结出以下几点：

• 将输入转换为嵌入矩阵（输入矩阵），并将位置编码加入其中，再将结果作为输入传入底层的编码器（编码器1）。
• 编码器1接受输入并将其送入多头注意力层，该子层运算后输出注意力矩阵。
• 将注意力矩阵输入到下一个子层，即前馈网络层。前馈网络层将注意力矩阵作为输入，并计算出特征值作为输出。
• 把从编码器1中得到的输出作为输入，传入下一个编码器（编码器2）。
• 编码器2进行同样的处理，再将给定输入句子的特征值作为输出。

这样可以将$N$个编码器一个接一个地叠加起来。从最后一个编码器（顶层的编码器）得到的输出将是给定输入句子的特征值。让我们把从最后一个编码器（在本例中是编码器2）得到的特征值表示为$R$。我们把$R$作为输入传给解码器。解码器将基于这个输入生成目标句，这也是Transformer的编码器部分。

参考文献：
[1] Lecun Y, Bengio Y, Hinton G. Deep learning[J]. Nature, 2015
[2] Aston Zhang, Zack C. Lipton, Mu Li, Alex J. Smola. Dive Into Deep Learning[J]. arXiv preprint arXiv:2106.11342, 2021.
[3] Sudharsan Ravichandiran. BERT基础教程：Transformer大模型实战[M]. 人民邮电出版社, 2023