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可高效處理長(zhǎng)文本的模型Longformer、和堪稱“升級(jí)版”Transformer的BigBird模型，到底有什么區(qū)別？

Transformer的其他各種變體（X-former）到底都長(zhǎng)什么樣、又有哪些新應(yīng)用？

由于Transformer模型的發(fā)展速度日新月異，一天一個(gè)樣，哪怕是隔段時(shí)間回來(lái)研究，模型可能也已經(jīng)多了不少。

Transformer模型，是谷歌在2017年推出的NLP經(jīng)典模型（Bert就是用的Transformer）。

在機(jī)器翻譯任務(wù)上，Transformer表現(xiàn)超過(guò)了RNN和CNN，只需要編/解碼器就能達(dá)到很好的效果，可以高效地并行化。

好消息是，這里有一篇Transformer模型的“最新動(dòng)向”，它集中探討Transformer新模型對(duì)于自注意力機(jī)制（Self-attention）的改進(jìn)，并對(duì)這些模型進(jìn)行對(duì)比。

此外，還有模型在NLP、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等各個(gè)領(lǐng)域的最新應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)Transformer模型

首先來(lái)看看，標(biāo)準(zhǔn)的Transformer模型是什么樣的。

Transformer的核心部分，是右邊的兩個(gè)黑色實(shí)線框圈起來(lái)的兩部分，左邊是編碼器（Encoder），右邊是解碼器（Decoder）。

可以看見，編/解碼器主要由兩個(gè)模塊組合成：前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖中藍(lán)色的部分）和注意力機(jī)制（圖中玫紅色的部分），解碼器通常多一個(gè)（交叉）注意力機(jī)制。

Transformer最重要的部分，就是注意力機(jī)制。

通俗來(lái)講，注意力機(jī)制在圖像處理中的應(yīng)用，是讓機(jī)器“像人一樣特別注意圖像的某個(gè)部分”，就像我們?cè)诳磮D時(shí)，通常會(huì)“特別關(guān)注”圖中的某些地方。

這其中，自注意力機(jī)制是定義Transformer模型特征的關(guān)鍵，其中一個(gè)重點(diǎn)難題就在于它的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上。

由于注意力機(jī)制直接將序列（sequence）兩兩比較，導(dǎo)致計(jì)算量巨大（計(jì)算量變成O(n²)）。

最近，大量論文提出了新的Transformer“變種”，它們的根本目的都是加速模型的效率，但如果一篇篇去看，可能有點(diǎn)眼花繚亂。

為此，Google AI的研究人員特意整理了一篇Transformer模型的發(fā)展論文，仔細(xì)講解它們的出處。

“變種”后的Transformer模型

2種分類方法

按使用方法來(lái)分類的話，Transformer模型可以分成如下3類：

只用編碼器：可用于分類
只用解碼器：可用于語(yǔ)言建模
編碼器-解碼器：可用于機(jī)器翻譯

但如果按這些變種的提高效率的原理，也就是“高效方法”來(lái)分類，那么Transformer模型的這些“變種”則可以被分成如下幾類：

Fixed Patterns（固定模式）：將視野限定為固定的預(yù)定義模式，例如局部窗口、固定步幅塊，用于簡(jiǎn)化注意力矩陣；

Learnable Patterns（可學(xué)習(xí)模式）：以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式學(xué)習(xí)訪問(wèn)模式，關(guān)鍵在于確定token相關(guān)性。

Memory（內(nèi)存）：利用可以一次訪問(wèn)多個(gè)token的內(nèi)存模塊，例如全局存儲(chǔ)器。

Low Rank（低秩）：通過(guò)利用自注意力矩陣的低秩近似，來(lái)提高效率。

Kernels（內(nèi)核）：通過(guò)內(nèi)核化的方式提高效率，其中核是注意力矩陣的近似，可視為低秩方法的一種。

Recurrence（遞歸）：利用遞歸，連接矩陣分塊法中的各個(gè)塊，最終提高效率。

可以看見，近期Transformer相關(guān)的研究都被分在上面的圖像中了，非常清晰明了。

了解完分類方法后，接下來(lái)就是Transformer模型的各種變體了。

17種經(jīng)典“X-former”

1、Memory Compressed Transformer（2018）

這是讓Transformer能更好地處理長(zhǎng)序列的早期嘗試之一，主要修改了兩個(gè)部分：定位范圍注意、內(nèi)存壓縮注意。

其中，前者旨在將輸入序列分為長(zhǎng)度相似的模塊，并在每個(gè)部分中運(yùn)行自注意力機(jī)制，這樣能保證每個(gè)部分的注意力成本不變，激活次數(shù)就能根據(jù)輸入長(zhǎng)度線性縮放。

后者則是采用跨步卷積，減少注意力矩陣的大小、以及注意力的計(jì)算量，減少的量取決于跨步的步幅。

2、Image Transformer（2018）

這是個(gè)受卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)的Transformer變種，重點(diǎn)是局部注意范圍，即將接受域限制為局部領(lǐng)域，主要有兩種方案：一維局部注意和二維局部注意。

不過(guò)，這種模型有一個(gè)限制條件，即要以失去全局接受域?yàn)榇鷥r(jià)，以降低存儲(chǔ)和計(jì)算成本。

3、 Set Transformer（2019）

這個(gè)模型是為解決一種特殊應(yīng)用場(chǎng)景而生的：輸入是一組特征，輸出是這組特征的函數(shù)。

它利用了稀疏高斯過(guò)程，將輸入集大小的注意復(fù)雜度從二次降為線性。

4、Sparse Transformer（2019）

這個(gè)模型的關(guān)鍵思想，在于僅在一小部分稀疏的數(shù)據(jù)對(duì)上計(jì)算注意力，以將密集注意力矩陣簡(jiǎn)化為稀疏版本。

不過(guò)這個(gè)模型對(duì)硬件有所要求，需要自定義GPU內(nèi)核，且無(wú)法直接在TPU等其他硬件上使用。

5、Axial Transformer（2019）

這個(gè)模型主要沿輸入張量的單軸施加多個(gè)注意力，每個(gè)注意力都沿特定軸混合信息，從而使沿其他軸的信息保持獨(dú)立。

由于任何單軸的長(zhǎng)度通常都比元素總數(shù)小得多，因此這個(gè)模型可以顯著地節(jié)省計(jì)算和內(nèi)存。

6、Longformer（2020）

Sparse Transformer的變體，通過(guò)在注意力模式中留有空隙、增加感受野來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的遠(yuǎn)程覆蓋。

在分類任務(wù)上，Longformer采用可以訪問(wèn)所有輸入序列的全局token（例如CLS token）。

7、Extended Transformer Construction（2020）

同樣是Sparse Transformer的變體，引入了一種新的全局本地注意力機(jī)制，在引入全局token方面與Longformer相似。

但由于無(wú)法計(jì)算因果掩碼，ETC不能用于自動(dòng)回歸解碼。

8、BigBird（2020）

與Longformer一樣，同樣使用全局內(nèi)存，但不同的是，它有獨(dú)特的“內(nèi)部變壓器構(gòu)造（ITC）”，即全局內(nèi)存已擴(kuò)展為在sequence中包含token，而不是簡(jiǎn)單的參數(shù)化內(nèi)存。

然而，與ETC一樣，BigBird同樣不能用于自動(dòng)回歸解碼。

9、Routing Transformer（2020）

提出了一種基于聚類的注意力機(jī)制，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式學(xué)習(xí)注意力稀疏。為了確保集群中的token數(shù)量相似，模型會(huì)初始化聚類，計(jì)算每個(gè)token相對(duì)于聚類質(zhì)心的距離。

10、Reformer（2020）

一個(gè)基于局部敏感哈希（LSH）的注意力模型，引入了可逆的Transformer層，有助于進(jìn)一步減少內(nèi)存占用量。

模型的關(guān)鍵思想，是附近的向量應(yīng)獲得相似的哈希值，而遠(yuǎn)距離的向量則不應(yīng)獲得相似的哈希值，因此被稱為“局部敏感”。

11、Sinkhorn Transformer（2020）

這個(gè)模型屬于分塊模型，以分塊的方式對(duì)輸入鍵和值進(jìn)行重新排序，并應(yīng)用基于塊的局部注意力機(jī)制來(lái)學(xué)習(xí)稀疏模式。

12、Linformer（2020）

這是基于低秩的自注意力機(jī)制的高效Transformer模型，主要在長(zhǎng)度維度上進(jìn)行低秩投影，在單次轉(zhuǎn)換中按維度混合序列信息。

13、Linear Transformer（2020）

這個(gè)模型通過(guò)使用基于核的自注意力機(jī)制、和矩陣產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)特性，將自注意力的復(fù)雜性從二次降低為線性。

目前，它已經(jīng)被證明可以在基本保持預(yù)測(cè)性能的情況下，將推理速度提高多達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。

14、Performer（2020）

這個(gè)模型利用正交隨機(jī)特征（ORF），采用近似的方法避免存儲(chǔ)和計(jì)算注意力矩陣。

15、Synthesizer models（2020）

這個(gè)模型研究了調(diào)節(jié)在自注意力機(jī)制中的作用，它合成了一個(gè)自注意力模塊，近似了這個(gè)注意權(quán)重。

16、Transformer-XL（2020）

這個(gè)模型使用遞歸機(jī)制鏈接相鄰的部分?；趬K的遞歸可被視為與其他討論的技術(shù)正交的方法，因?yàn)樗鼪](méi)有明確稀疏密集的自注意力矩陣。

17、Compressive Transformers（2020）

這個(gè)模型是Transformer-XL的擴(kuò)展，但不同于Transformer-XL，后者在跨段移動(dòng)時(shí)會(huì)丟棄過(guò)去的激活，而它的關(guān)鍵思想則是保持對(duì)過(guò)去段激活的細(xì)粒度記憶。

整體來(lái)說(shuō)，這些經(jīng)典模型的參數(shù)量如下：

更詳細(xì)的解讀（包括具體的模型參數(shù)等），以及對(duì)Transformer未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，可以戳下方傳送門查看整篇論文。

作者介紹

論文一作Yi Tay，碩士和博士均畢業(yè)于新加坡國(guó)立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)。

目前，Yi Tay在Google AI從事研究工作，主要方向是自然語(yǔ)言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)。

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論文鏈接：
https://www.arxiv-vanity.com/papers/2009.06732