超越自注意力！清华提出EA和EAMLP：使用两个线性层的新注意力机制
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作者：国孟昊 | 已授权转载（源：知乎）
https://zhuanlan.zhihu.com/p/376929247
本文是对最近我们更新到 arxiv 的 paper ：Beyond Self-attention: External Attention using Two Linear Layers for Visual Tasks （External attention） 的解读论文，也分享一下在做这篇论文时候的实验过程中一些问题和想法。
论文 ：https://arxiv.org/abs/2105.02358
代码：https://github.com/MenghaoGuo/-EANet
本次更新主要包含了三个方面：
加入了 multi-head external attention 机制，multi-head external attention 也可以使用两个线性层实现，由于有了 multi-head external attention 结构，我们实现了一个 MLP 结构，我们把它叫做 EAMLP。
补充了一个 ablation study 的实验以及一些分析，可以更清楚的理解这种 external attention 机制。
补充了 COCO 上的 object detection 和 instance segmentation 的实验和 Tiny ImageNet 上的生成实验。现在已经在图像分类、检测、分割、实例分割、图像生成、点云的分割和分割上证明了 external attention 的有效性。
先从 self-attention 说起
自注意力机制，通过计算两两之间的相似度，然后更新根据相似度更新特征，达到特征增强的作用。具体的，对于输入特征 ，QKV 是 F 的一种线性变换，自注意力可以写成如下的形式。
为了表达简单，我们把 self-attention 可以简记为下面公式(3) 和 公式(4) 所示，
External attention
对于(3)(4)中这种简记的注意力机制，我们可以认为这是 F 对 F 的注意力，也就是 self-attention。这种注意力是非常有效的，但是也有它的不足。首先，它使用的是一个 F 对 F 的注意力形式，这种注意力只会考虑单个样本内部的关联，而会忽略样本之间的潜在联系，这种联系对于视觉任务来说是有用的，比如对于语义分割这个任务来说，我们希望分布在不同样本中的同类物体能有着相似的表征。其次，由于是算 F 对 F 的注意力，它不够灵活，这种不灵活带来的是 级别的复杂度，难以用到高分辨率图像场景。
下面考虑这样一个问题，如果有一个共享的矩阵 , M 是随机初始化的，我们可以把上面那个形式，记成一种 M 对 F的注意力，即如下公式(5)(6)所示。
对于上述形式，首先，M 是共享的，所以可以隐式的考虑不同样本之间的关联，其次，由于 S 是非常灵活的，我们可以通过控制 S 的大小，来使得整个 external attention 变得灵活，使得 attention 变成 N 复杂度，以便用于高分辨率的情况。
对于 self-attention, 简化的 self-attention 以及这个 M 对 F的 attention (external attention)，可以用下图来表示。
External attention 和 线性层
进一步考虑公式 (5)(6),可以发现，公式(5)(6) 中的 是什么呢 ？是矩阵乘法，也就是是我们常用的线性层 (Linear Layer)。这就是解释了为什么说线性可以写成是一种注意力机制。写成代码就是下面这几行, 就是线性层。
Multi-head external attention
到这里，我们已经把 attention 写成了 Attention = Linear(Norm(Linear(F))) 的形式，不妨把该式子记为 Attention=G(F) 。考虑多层 attention 的堆叠，也就是现在常用的 Transformer。那么就是 Transformer = G(G’.....G(x)) 。没错，是可以这么做，我们也做了实验，在 ImageNet 仅获得了 63.2 的准确率（对标同级别的 transformer 71.7），我们反思了一下，到底是哪出了问题，发现 multi-head 机制在这里面起到了关键的作用。我们吧 multi-head self-attention 改成 single head 之后发现了其性能也只能达到 67.4，直接降低了 4.3 个点。有了这个 insight 之后，我们设计了我们的 multi-head external attention。如下所示：
和 self-attention 的 multi-head 不同，我们的 multi-head 的每个 head 是共享 的，multi-head self-attention 每个 head 是独立的。这个multi-head external attention 也可以写成线性层，具体写法如下：
Normalization
在通常的 attention 中，我们常常只使用一个 softmax 作为中间的归一化层，这种归一化的目的是使得 attention map 中的某一行或者某一列和为1。这种只用 softmax 有什么问题呢 ？问题在于，当某一个特征值特别大（特别小）的时候，他对其他特征的点乘也会变得特别大（特别小），这种情况下，只使用 softmax 会破坏 attention 原始的含义。我们使用了 softmax + L1 norm 的这种 double normalization 的方式，去避免这个问题，公式如下：
值得注意的是，external attention 非常依赖这种 double norm 的方式，这种 norm 也对self-attention 有提升作用，实验结果如下：
这种 double norm 的方式在 ImageNet 上面也会让 T2T-VIT 有 0.1 - 0.3 个百分点的提升。
实验中的一些感想
我们在 ImageNet 上做了一个纯 MLP 的结构，我们叫它 EAMLP，实验结果如下：
同时我们可视化了最后一层 external attention 的 attention map，如下所示：
关于这个实验，说几点感想
我们采用了 MoCo V3 中的将 LayerNorm 换成 BatchNorm 的尝试，也在 EAMLP-7 上取得了 1.1 个点的提升，但是在大模型上梯度会崩掉。这个实验让我感觉，在视觉里面，Transformer 中的 LayerNorm 在视觉中可能不如 BatchNorm 好，这可能是 Norm 本身造成的，也有可能是优化器不适合造成。
multi-head 这种结构是重要的，之前也看过一些轻量级结构，比如 EMANet， HamNet、OCRNet、CCNet、ANN...这些结构如果设计一个合理的multi-head 结构应该也可能用到 transformer 里面代替 self-attention。
另外，值得注意的是，softmax 不一定就是最合适的归一化方式。当然 double norm 也极大可能不是最合适的归一化方式。external attention 非常依赖这种 double norm 的方式，这种 norm 也对self-attention 有提升作用。attention 里面的归一化方式应该是一个非常值得探索的 topic。
另外，简单写了一些我们对最近的 MLP 的一些观点和一些未来可能的方向，一个 4 页纸的short paper ：Can Attention Enable MLPs To Catch Up With CNNs?
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