神经机器翻译 之 谷歌 transformer 模型

声明：转载请在标题标明转载，并添加原文链接。

简介

这篇博客的主要内容是对谷歌提出的transformer 进行论文解读，包含算法复杂度的分析。对应的论文是 “Attention is all you need", 链接如下 https://arxiv.org/pdf/1706.03762.pdf 。

选择这篇论文的原因有三点。

1. 这篇论文达到了 new the state-of-the-art result,  应该是现在做神经翻译里最好的BLUE结果。

2. 这篇文章提出的算法另辟蹊径，没有采取大热的RNN/LSTM/GRU的结构，而是使用attention layer 和全连接层，达到了较好的效果，并且解决了 RNN/LSTM/GRU 里的long dependency problem 。

3. 这篇文章的算法解决了传统RNN 训练并行度的问题，并降低了计算复杂度。

接下来会按照 "Attention is all you need" 论文中的逻辑， 逐个模块介绍， 希望能对大家有所帮助。原文写在我的笔记上。

https://shimo.im/docs/gmRW4WV2mjoXzKA1/

模型结构

Fig.1 The transformer architecture

上面这个Fig.1 就是谷歌提出的transformer 的架构。这其中左半部分是 encoder 右半部分是 decoder.

Encoder: 这里面有 N=6 个 一样的layers, 每一层包含了两个sub-layers. 第一个sub-layer 就是多头注意力层（multi-head attention layer） 然后是一个简单的全连接层。 这里还有一个残差连接 （residual connection), 在这个基础上， 还有一个layer norm.  这里的注意力层会在下文详细解释。

Decoder: 这里同样是有六个一样的Layer是，但是这里的layer 和encoder 不一样， 这里的layer 包含了三个sub-layers,  其中有 一个self-attention layer, encoder-decoder attention layer 最后是一个全连接层。 前两个sub-layer 都是基于multi-head attention layer.  这里有个特别点就是masking,  masking 的作用就是防止在训练的时候 使用未来的输出的单词。 比如训练时， 第一个单词是不能参考第二个单词的生成结果的。 Masking就会把这个信息变成0， 用来保证预测位置 i 的信息只能基于比 i 小的输出。

Attention

Scaled dot-product attention

这里就详细讨论scaled dot-product attention. 在原文里， 这个算法是通过queriies, keys and values 的形式描述的， 非常抽象。这里我用了一张CMU NLP 课里的图来解释， Q(queries), K (keys) and V(Values), 其中 Key and values 一般对应同样的 vector, K=V 而Query vecotor  是对应目标句子的 word vector.

Fig. 2 Attention process (source:ttp://phontron.com/class/nn4nlp2017/assets/slides/nn4nlp-09-attention.pdf)

Fig. 2 里的quary vector  来自 decoder state， key/value vector来自所有的encoder state.  具体的操作有三个步骤。

1. 每个query-key 会做出一个点乘的运算过程

2. 最后会使用soft max 把他们归一。

3. 再到最后会乘以V (values) 用来当做attention vector.

这里的数学表达式如下。

如果用Numpy 来写, scaled dot-product attention, 内容如下

这个在实际呢， 是一个tensor dot product. 对于新手来说tensor dot product 可能还有些陌生。 对于一维向量的点乘（dot product）, 结果是一个 标量scalar， 对于一个高纬度的tensor  dot product, 结果就不那么好理解了。 在numpy 里的 numpy.dot  解释 如下，

If a is an N-D array and b is an M-D array (where M>=2), it is a sum product over the last axis of a and the second-to-last axis of b:

dot(a, b)[i,j,k,m] = sum(a[i,j,:] * b[k,:,m]), source: https://docs.scipy.org/doc/numpy 1.14.0/reference/generated/numpy.dot.html

举个例子， 比如 张量（tensor）a  是一个四维矩阵，维度是[3,4,5,6]， 张量 b 也是一个四维矩阵， 维度是[5,4,6,3], 那么 dot(a,b) 的维度就是 [3,4,5,5,4,3].

这里面如果考虑计算复杂度呢， c 里的每一个元素 都是通过 sum(a[i,j,:] * b[k,:,m])计算得来，对于上图的例子，就需要6次乘法 5 次加法， 总共11 FLOPs, 那这样的张量dot product 就是11*3*4*5*5*4*3 FLOPs的运算量了。

Multi-head attention

上面的scaled dot-product attention, 看起来还有点简单， 网络的表达能力还有一些简单，所以提出了多头注意力机制（multi-head attention）。参考文献是[3] 用图说明。

Fig. 3 Convolution and Self-attention difference (source: https://nlp.stanford.edu/seminar/details/lkaiser.pdf)

这里的self-attention, 就是上文中query (Q), keys (K) and Values (V) 都是相同的， 表达同一段句子 （Q=K=V）. Fig. 3 右图说明了， 对于self-attention, target node (生成的那个点) 实际上和 输入中的任意一点的距离是相同的。 这点是可以用来获得 long path dependency的， 在翻译句子里尤为重要。 而convolution, 因为有卷积窗口的 问题， 任意两点的局距离是 Log_k(n), 其中k 是卷积窗口的大小，而n句子长度。 所以说这个self-attention 可以解决 翻译句子 source -target 对齐的问题。    一般有三种注意力方式， 如下图所示。

Fig. 4 三种注意力方式 （source: https://nlp.stanford.edu/seminar/details/lkaiser.pdf）

这里的masked decoder self attention, 就是为了防止 当前的单词生成 对未来的单词产生依赖性。

Fig. 5 多头注意力机制（multi-head attention）和卷积

多头注意力机制很棒啊。 首先each head， 是可以并行计算的， 然后每个head 都有自己对应的weight, 实现不同的线性转换， 这样每个head 也就有了自己特别的表达信息。 所以Fig. 5 里的每个连接 是用彩色表示的。

那multi-head attention 是怎么实现的呢。 在执行self-attention 之前 Q, K, V 都会先乘以一个矩阵 做linear project, 把他投影到维度num_head*（d_q, d_k, d_v）。 这个地方举个例子就比较容易说明了， 比如以前的head 维度是 64， 我需要8 个head, 那我就用线性转换， 把我的输入变成的维度变成 512， 再reshape 一下。

具体就是, 我单个self head attention 的维度是 [1, 16, 512]  对应的是[batch, seq_length, head_dim]。 那我现在做multi-head attention, 那我就先把512 通过linear transform 变成64，（multiplied by 512*64 mixtrx） 那得到了 [1,16,64], 同样的操作作进行八次， reshape, 就是 [1, 8, 16,64].  这样multi-head attention 就实现了。 接下来继续按照Fig.2 中介绍的三步骤来实现 attention。

我们回到multi-head attention 论文中的讨论，

Fig. 6 Multi-head attention

有了前文的解释，Fig. 6 中的原文讨论就容易理解的多了。 第一段就是我上文的讨论， 说出了 a single attention head 的问题。  d_model 就是 512， d_k= d_v= 8.  Q 是 [1, 16, 512] 维度， 而且W_i^Q 的维度是 [512, 64].

这里有个潜在的问题， 计算复杂度变高了。 比如Q, [1,16,512], 512  前文说是head dimension,  其实是有物理含义的， 对于第一个attention 模块， 512 表达的是 word vector length, 就是用多长的vector 来代表一个单词。  而这个计算最终导致， 增加了O(n*d^2) 的复杂度， 其中 n 是sequence length, d 是word vector representation dimension.

Positional Embedding

讨论到现在， 还没有信息来表达单词和单词相关的位置关系。 这里， 谷歌用了sine 和cosine 函数来表达。 先上截图。

Fig. 7 positional embedding

这里使用了两个构造函数， sin, cosine. pos 用来表示单词的位置信息， 比如 第一个单词啦， 第二个单词什么的。 而 i  用来表达dimension。 现在的例子里， d_{model} 是512， 那 i 应该是 0 到255.  这里呢， 为了好说明， 如果2i= d_{model}, PE 的函数就是sin（pos/10000）, 那它的波长就是10000*2pi,  如果i =0, 那么他的波长 就是2pi.  这样的sin, cosin 的函数 是可以通过线性关系互相表达的。

就是这么回事啦。

Auto recursive decoding

在Transformer里有一个概念就是auto recursive decoding. 这个并不好理解， 论文也没有详细讨论，让我思考许久。好在谷歌博客做了一个动图， 一目了然。

Fig. 8 Encoding-decoding的动态过程 source: https://ai.googleblog.com/2017/08/transformer-novel-neural-network.htm

Fig. 8  这个图的encoding  过程， 主要是self attention,  有三层。 接下来是decoding过程， 也是有三层， 第一个预测结果 符号， 是完全通过encoding 里的attention vector 做出的决策。 而第二个预测结果Je, 是基于encoding attention vector &  attention vector  做出的决策。按照这个逻辑，新翻译的单词不仅仅依赖 encoding attention vector， 也依赖过去翻译好的单词的attention vector。 随着翻译出来的句子越来越多，翻译下一个单词的运算量也就会相应增加。 如果详细分析，复杂度是 （n^2d）, 其中n是翻译句子的长度，d是word vector 的维度。

计算复杂度

计算复杂度对比

这里n, 是 sequence length, d 是word representation dimension. 通常 n<

后续

实验结果我就先不分析了， 如果需要，请留言， 我再找时间。欢迎大家留言讨论。

小更新，这个博客也特别棒http://jalammar.github.io/illustrated-transformer/

参考文献

[1] Michal Chromiak Blog, https://mchromiak.github.io/articles/2017/Sep/01/Primer-NN/#attention-basis

[2] Google Blog, https://ai.googleblog.com/2017/08/transformer-novel-neural-network.html

[3] Tensor2tensor transformer, https://nlp.stanford.edu/seminar/details/lkaiser.pdf