Кодировщик трансформера

Кодировщик модели трансформера (transformer) [1] принимает на вход $T$ эмбеддингов элементов входной последовательности и выдаёт $T$ уточнённых эмбеддингов для каждого элемента с учётом его контекста (других элементов последовательности).

Кодировщик состоит от $N$ последовательных применений блоков кодировщика, каждый раз - со своими параметрами. В оригинальной статье [1] бралось $N=6$.

Блок кодировщика

Схема одного блока кодировщика представлена ниже [2] для перевода входного предложения "Thinking machines":

Первый блок кодировщика принимает $D$-мерные эмбеддинги каждого токена входной последовательности, прибавляет к ним эмбеддинги позиционного кодирования, после чего выдаёт такое же количество $D$-мерных выходных эмбеддингов, но которые в результате некоторых преобразований уже учитывают контекст всей входной последовательности (всего переводимого предложения). В статье берётся $D=512$.

Поскольку в трансформере предлагается наслаивать такие блоки $N$ раз, каждый из блоков будет всё больше уточнять эмбеддинги по контексту, пока последний блок не выдаст итоговые эмбеддинги, с которыми впоследствии будет работать декодировщик модели, состоящий из отдельных блоков декодировщика.

Позиционное кодирование

Считается, что сети достаточно передать информацию о позициях токенов в последовательности только один раз, поэтому позиционные эмбеддинги прибавляются к эмбеддингам входных токенах только для первого блока декодировщика. Последующие блоки работают только с выходными эмбеддингам предшествующих блоков в неизменном виде.

Каждый блок кодировщика имеет свои параметры, но функционально устроен единообразно:

1. каждый входной эмбеддинг преобразуется через блок самовнимания (self-attention) в выходной эмбеддинг;

2. входной и выходной эмбеддинги суммируются, как показано пунктиром на схеме;

3. суммарный эмбеддинг пропускается через послойную нормализацию (LayerNorm);

4. результирующий эмбеддинг преобразуется двухслойным персептроном (Feed Forward) в выходной;

5. затем опять входной и выходной эмбеддинги (в контексте предыдущего шага) суммируются, как показано пунктиром на схеме;

6. суммарный эмбеддинг снова пропускается через послойную нормализацию (LayerNorm).

Для каждого из $N$ блоков декодировщика этапы 1-6 применяются к каждому эмбеддингу входной последовательности независимо с одинаковыми весами. При этом веса внутри каждого блока свои. Рассмотрим подробнее каждый этап.

Сумма входного и выходного эмбеддингов

Суммирование входа с выходом, как и в модели ResNet, мотивировано тем, что

1. градиент при обучении проще доходит от функции потерь к более ранним слоям, что упрощает настройку более ранних слоёв и ускоряет обучение всей сети;

2. в глубоких сетях целесообразно наслаивать слои, оставляя возможность модели оставить всё "как есть" (что обеспечивает тождественная связь), а при необходимости вносить лишь небольшие уточнения (нелинейным блоком, веса которого инициализируются малыми числами).

Feed Forward

Feed Forward преобразование представляет двухслойный персептрон с активацией ReLU:

$$\mathbf{y}=\text{ReLU}\left(\mathbf{x}W_{1}+\mathbf{b}_{1}\right)W_{2}+\mathbf{b}_{2},$$

где

• $\mathbf{x}\in\mathbb{R}^{1\times D}$ - входной эмбеддинг токена,

• $\mathbf{y}\in\mathbb{R}^{1\times D}$ - его нелинейно преобразованная версия той же размерности,

• $W_1,W_2$ - обучаемые матрицы,

• $\mathbf{b}_1, \mathbf{b}_2$ - обучаемые вектора смещений.

Этот блок позволяет модели настраивать сложные зависимости и строить более богатые признаковые представления.

Self-attention

Блок самовнимания (self-attention) призван обогатить эмбеддинг каждого токена информацией о других токенах последовательности. Поскольку каждый токен при этом использует информацию со всех других токенов, то схематично это можно представить в виде:

Рассмотрим детально, как работает блок самовнимания. Для для большей ясности изложения будем писать сбоку внизу размерности векторов, матриц и производимых над ними операций.

Пусть мы обрабатываем последовательность длины $T$ и каждый токен $\mathbf{x}_{1\times D}$ этой последовательности представляется $D$-мерным эмбеддингом. Тогда входную последовательность можно представить в виде матрицы $X_{T\times D}$.

Используется механизм внимания (attention mechanism), в котором по эмбеддингу каждого токена генерируется

• $d$-мерный запрос $\mathbf{q}_{1\times d}=\mathbf{x}_{1\times D}\cdot W_{D\times d}^{Q}$

• $d$-мерный ключ $\mathbf{k}_{1\times d}=\mathbf{x}_{1\times D}\cdot W_{D\times d}^{Q}$

• $\bar{d}$-мерное значение $\mathbf{v}_{1\times \bar{d}}=\mathbf{x}_{1\times D}\cdot W_{D\times\bar{d}}^{V}$

В статье [1] $\bar{d}=d=D/8$, поскольку самовнимание впоследствии повторялось 8 раз.

Объединяя для каждого токена последовательности вектора-строки их запросов, ключей и значений, получим

• матрицу запросов $Q_{T\times d}$,

• матрицу ключей $K_{T\times d}$,

• матрицу значений $V_{T\times \bar{d}}$.

Тогда выходной эмбеддинг вычисляется агрегацией значений (values) для всех токенов последовательности:

$$\mathbf{y}_{1\times\bar{d}}=\text{softmax}\left(\frac{1}{\sqrt{d}}\mathbf{q}_{1\times d}\left(K^{T}\right)_{d\times T}\right)_{1\times T}V_{T\times\bar{d}}$$

Агрегация производится суммированием значений с весами, пропорциональным похожести ключа соответствующему запросу, которое вычисляется методом scaled dot-product attention.

Матричная запись

Для ускорения вычислений, они производятся для всех токенов одновременно, используя матричную запись:

Генерируются матрицы

– запросов (queries): $Q_{T\times d}=X_{T\times D}W_{D\times d}^{Q}$

– ключей (keys): $K_{T\times d}=X_{T\times D}W_{D\times d}^{K}$

– значений (values): $V_{T\times\bar{d}}=X_{T\times D}W_{D\times\bar{d}}^{V}$

что графически показано ниже [2]:

Результат самовнимания для всех токенов запишется как

$$Y_{T\times\bar{d}}=\text{softmax}\left(\frac{1}{\sqrt{d}}Q_{T\times d}\left(K^{T}\right)_{d\times T}\right)_{T\times T}V_{T\times\bar{d}}$$

что графически можно изобразить как [2]:

Объединяя все операции, одна головка самовнимания (self-attention head) работает следующим образом:

$$\begin{gathered}\text{head}\left(X|W^{K},W^{V},W^{Q}\right)_{T\times\bar{d}}\\ =\text{softmax}\left(\frac{1}{\sqrt{d}}Q_{T\times d}\left(K^{T}\right)_{d\times T}\right)_{T\times T}V_{T\times\bar{d}}\\ =\text{softmax}\left(\frac{1}{\sqrt{d}}\left(\underset{Q}{\underbrace{XW^{Q}}}\right)\left(\underset{K}{\underbrace{XW^{K}}}\right)^{T}\right)\underset{V}{\underbrace{XW^{V}}} \end{gathered}$$

Сравнение с рекуррентной сетью

Сравним блок самовнимания трансформера с рекуррентной сетью. Пусть для простоты обрабатываются $D$-мерные эмбеддинги, размерность скрытого состояния рекуррентной сети совпадает с размерностями эмбеддингов самовнимания и тоже равна $D$.

Для суммаризации информации о $D$-мерных эмбеддингах последовательности длины $T$ рекуррентной сети требуется $O(T\cdot D^{2})$ операций, в то время как модулю самовнимания - $O(T\cdot D^2 + T^{2}\cdot D)$ (обоснуйте!). Таким образом, сложность вычислений трансформера существеннее зависит от длины обрабатываемой последовательности.

Для сбора информации для эмбеддинга с другого эмбеддинга рекуррентной сети требуется порядка $O(T)$ проходов по последовательности (а с каждой итерацией часть информации теряется!), в то время как самовнимание считывает эту информацию напрямую за $O(1)$.

Рекуррентная сеть хранит историю в $D$-мерном внутреннем состоянии, а трансформеру требуется хранить все $T$ эмбеддингов ($D$-мерных), в связи с чем у него увеличенное потребление памяти.

Multi-head self-attention

В трансформере [1] используется не одна, а 8 головок самовнимания, каждая - со своими весами $W^{Q},W^{K},W^{V}$. Каждая головка призвана агрегировать информацию исходя их собственных принципов, что и наблюдается на практике. После применения головок самовнимания их результаты конкатенируются, после чего пропускаются через линейное преобразование c матрицей $W_{8\bar{d}\times D}^{O}$, чтобы вернуть размерность эмбеддинга к исходному $D$-мерному вектору:

$$Z=\text{concat}_{T\times8\bar{d}}\left[\text{head}\left(X|W_{n}^{K},W_{n}^{V},W_{n}^{Q}\right)\right]_{n=1}^{8}W_{8\bar{d}\times D}^{O}$$

Графически это выглядит следующим образом [2]:

Весь процесс совместно можно визуализировать как [2]:

Итог

Подытоживая, блок кодировщика уточняет начальные эмбеддинги каждого токена входной последовательности, пропуская их через нелинейные преобразования Feed Forward и агрегируя информацию с эмбеддингов других токенов последовательности, используя self-attention. Для удобства настройки, блоки самовнимания и Feed Forward реализуются как остаточные блоки.

Всего в трансформере [1] использовано 6 таких блоков, работающих последовательно.

Первый блок кодировщика обрабатывает эмбеддинги входных токенов в сумме с эмбеддингами, кодирующими расположение этих токенов в последовательности (позиционное кодирование). Последующие блоки кодировщика обрабатывают выходные эмбеддинги предыдущего блока в неизменном виде.

В следующей главе мы рассмотрим, как устроено позиционное кодирование.

Литература

1. Vaswani A. Attention is all you need //Advances in Neural Information Processing Systems. – 2017.
2. https://medium.com/analytics-vidhya/attention-is-all-you-need-demystifying-the-transformer-revolution-in-nlp-68a2a5fbd95b