Transformer 学习与解读

LLM学习笔记

注意力机制

sequence to sequence （seq2seq）输入N个向量，输出任意可能数量的向量（由机器决定）；如果输出N个向量的任务就叫做Sequence Labeling

李沐课程讲义：https://zh-v2.d2l.ai/chapter_attention-mechanisms/self-attention-and-positional-encoding.html

在注意力机制的背景下，自主性提示被称为查询（query）。 给定任何查询，注意力机制通过注意力汇聚（attention pooling） 将选择引导至感官输入（sensory inputs，例如中间特征表示）。 在注意力机制中，这些感官输入被称为值（value）。 更通俗的解释，每个值都与一个键（key）配对， 这可以想象为感官输入的非自主提示。 如 图10.1.3所示，可以通过设计注意力汇聚的方式， 便于给定的查询（自主性提示）与键（非自主性提示）进行匹配， 这将引导得出最匹配的值（感官输入）。

注意力分数是衡量 query 和 key 之间相似度的值。它表示在注意力机制中，模型应该“关注”哪些部分的信息。注意力分数越高，表示 query 和 key 之间的相关性越强。

注意力权重是注意力分数经过 softmax 函数归一化后的结果。softmax 将分数转换为概率分布，确保所有权重的总和为 1。注意力权重决定了每个 key 对最终输出的贡献程度。

两种常见的注意力分数计算方法

使用单层 MLP（多层感知机） （查询和键是不同长度的矢量时）

• 将 query 和 key 拼接起来，输入到一个单隐藏层的 MLP 中。
• MLP 输出一个标量值，作为 query 和 key 的注意力分数。
• 这种方法可以捕捉 query 和 key 之间的非线性关系

直接计算内积 （查询和键具有相同的长度）

• 直接计算 query 和 key 的内积（点积），作为注意力分数。
• 这种方法假设 query 和 key 在同一个向量空间中，内积越大表示相似度越高。
• 内积计算简单高效，常用于 Transformer 等模型中。

自注意力机制

有了注意力机制之后，我们将词元序列输入注意力池化中， 以便同一组词元同时充当查询 query、键key和值value（而将a变为q k v则需要Wq Wk Wv矩阵进行变换）。 具体来说，每个查询都会关注所有的键－值对并生成一个注意力输出。 由于查询、键和值来自同一组输入，因此被称为 自注意力（self-attention）

下图：首先使用q2和ki计算注意力分数（dot product点积或者加性），接着可以对注意力分数进行softmax归一化，得到α'。通过注意力权重α'和值向量vi进行加权求和，得到输出向量b2。表示模型在生成第 2 个位置的输出时，对所有输入位置的信息的加权整合。

只有Wq Wk Wv 未知，需要通过训练数据计算

多头自注意力机制（Multi-head Self-attention）

• 多头机制是指并行地使用多个自注意力机制（称为“头”），每个头学习不同的表示子空间。
• 不同的头可以关注输入序列中不同的部分，例如一个头关注局部信息，另一个头关注全局信息。
• 通过并行计算多个注意力头，模型可以学习到更丰富的特征表示。

得到b(i,1)和b(i,2)再进行矩阵连接传入到下一层。

位置编码 positional encoding

在处理词元序列时，循环神经网络是逐个的重复地处理词元的， 而自注意力则因为并行计算而放弃了顺序操作（对所有的输入操作，从而位置信息不重要了）。 为了使用序列的顺序信息，通过在输入表示中添加 位置编码（positional encoding）来注入绝对的或相对的位置信息。

自注意力机制失去了位置信息，如果位置信息比较重要，可以加入位置信息，只需要为每个位置添加一个位置向量e^i，输入变为：

\[e^{i}+a^{i} \]

在图像识别中，训练资料较少时CNN效果比较好，因为采用接受域，相较于全局计算的自注意力训练量较大；训练资料较大时自注意力效果更好

Transformer

基于编码器-解码器架构来处理序列对，纯基于self-attention的（没有RNN的）

Encoder：输入一个vector sequence，输出另外一个vector sequence

residual 残差（原输入加到输出上）

不能用Batch Norm 要用Layer Norm。

Batch Norm：对不同样本的同一维度特征进行正则化 ，不适合序列长度会变得NLP应用

Layter Norm：对同一样本的不同维度特征进行正则化

残差网络

1. 残差网络（避免梯度消失w3(w2(w1x+b1)+b2)+b3，如果 w1，w2，w3 特别小，0.000000……1，x 就没了，所以改为【w3(w2(w1x+b1)+b2)+b3+x】）
2. x1作为残差结构的直连向量，直接和 z1 相加，之后进行 Layer Norm 操作，得到浅粉色向量 z1，z1 经过前馈神经网络（Feed Forward）层，经过残差结构与自身z1相加，之后经过 LN 层，得到一个输出向量 r1；
3. Add & Norm 就是 Residual残差网络和标准化
4. 残差结构的作用：避免出现梯度消失的情况
5. Layer Norm 的作用：为了保证数据特征分布的稳定性，并且可以加速模型的收敛

Decoder

Auto-Aggressive（自回归）

输入时加一个特殊的标志BEGIN符号。

V 是 中文词汇表，3000常用汉字，根绝Encoder中KQ输出的softmax函数的概率值，选择分数最高的对应汉字

Decoder接着会把自己的输出当做下一个输入。

Decoder中的Masked，即在算bi时，不考虑i之后的aj。这样更接近于decoder的运作方式。（在解码时候是a1 a2……一个一个产生的，要计算b2时，没有a3 a4）

Decoder如何决定输出序列的长度？

用特殊符号END表示"断"。让机器产生END的概率最大时表示结束。

AT VS NAT

Non-Auto-Aggressive（非自回归）

不依赖于之前生成的步骤，所有步骤可以并行生成。

NAT会给多个BEGIN，一次性生成完成完整的句子（注意位置嵌入的作用）。要由特殊方法判断终止。

NAT可以并行化，可以控制输出长度（在语音中可以据此控制说话速度）。但NAT质量通常不如AT。

• 自回归模型：
  • 文本生成（如 GPT）、对话系统、长文本翻译。
• 非自回归模型：
  • 实时翻译、语音合成、图像生成。

Decoder架构相较于Encoder就加了一块Cross attention模块。

Decoder中间的 Cross attention （交叉注意力机制）三个input，K和V来自于Encoder，Q来自于Decoder

如下图 Cross attention ：可以理解为 Decoder 产生的Q 查询 从Encoder KV 键值对 里查询信息

How to train？

每产生一个字就是从几千个字中进行的分类问题。训练时希望所有的字(含END)的交叉熵 之和（cross entropy）最小。

训练的时候有正确答案ground truth

测试的时候没有正确答案

训练和测试不一致（Exposure Bias）：

Exposure Bias 的定义

• 训练阶段：
  • 自回归模型在训练时，通常使用 Teacher Forcing 方法，即每一步生成时，模型的输入是真实的上一时刻的目标词（Ground Truth）。
  • 例如，生成句子 "I love you" 时，模型在生成 "love" 时，输入是真实的 "I"。
• 推理阶段：
  • 在推理时，模型没有真实的目标词作为输入，只能使用自己生成的上一时刻的词作为输入。
  • 例如，生成句子 "I love you" 时，模型在生成 "love" 时，输入是自己生成的 "I"。
• 问题：
  • 如果模型在生成过程中出现错误（如生成一个不准确的词），这个错误会作为输入传递给下一步，导致错误累积，最终影响生成结果。

在训练的时候，给 Decoder 一些错误的信息，反倒会提升模型精确度。

这个方法叫 “Scheduled Sampling” 计划采样

• 在训练过程中，逐渐从使用真实数据（Ground Truth）过渡到使用模型生成的数据作为输入。
• 例如，训练初期使用 100% 的真实数据，后期逐渐增加使用模型生成数据的比例。