[徵文] Attention is all you need

看板DataScience作者dav1a1223 (Lai_can)時間6年前 (2018/07/31 10:42)推噓4(4推 0噓 6→)

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1) 論文介紹 arXiv 連結: https://arxiv.org/abs/1706.03762 這篇是 Google 發表在 NIPS2017 上的 paper，其最大的亮點是提出一個新的 encoder-decoder 架構完全依賴於 Attention 機制而完全沒用到 CNN 以及 RNN，這樣的好處是提高了訓練時可平行化處理的部分 (RNN 依賴於序列處理，而 Attention 可以是矩陣乘法運算) 並且讓 input, output sequences 中的文字彼此之間跨越距離的障礙能夠找到有關聯的字詞。在這篇論文之前，為了減少序列的計算量，被提出的方法有 ByteNet, ConvS2S 等網路架構，都是用到了 CNN 來做 downsampling，但這樣的方法仍然會遇到距離障礙的問題: 相距越遠的字詞會越難找到彼此的資訊，其解決方法就是使用 self-attention 取代 encode, decode 階段，讓每一個詞都去計算整個 sequence 的表示，此外其也能解決過長的 RNN 架構可能會造成的梯度消失問題。這篇提出的架構 Transformer 如下圖: https://imgur.com/e5JWQNg

也是 encoder-decoder 的形式，只不過都換成了使用 attention + fully connected layers 來實現。對於 input, output 序列每個字詞過 Embedding 之後須加上 Positional Encoding 主要是因為這個架構不像 RNN 是有序的，但是為了捕捉到字詞前後的關係所以須加上基於位置的 Embedding。 Encoder: 在 Encoder 中堆疊了六個相同的 layer，每個 layer 都包含兩個 sublayer，分別是 multi-head self-attention 和 position-wise fully connected network，並且都是以殘差連接的方式，好處是能夠加深網路，並且都過 layer normalization 加速收斂，因此每一層 sublayer 都可以以 LayerNorm(x + SubLayer(x)) 來表示。 Decoder: Decoder 同樣堆疊六層，但每一層包含了三個 sublayer，其同樣有目標序列的 self-attention，再加上了 decoder 向 encoder 的 attention 機制，最後同樣過全連接層輸出，多的 sublayer 就是在負責從 encoder 藉由 attention 抓取重要資訊來作為輸出參考，其中比較需要注意的是 decoder 的 self-attention 需要加上遮罩機制，也就是讓位置 t 的字詞只能 attend 到自己以前的字詞，不能向後偷看。其用到的 Attention 計算公式為 Scaled Dot-Product Attention 流程如下圖: https://imgur.com/15WtVKI

其中 Q 是 query (發起 attention 的 matrix) K, V 分別是 key, value (被 attention 的 matrix)，在這篇論文中使用的 K, V 是相同的，都是某時間點的 hidden state 寫成公式如下: https://imgur.com/ju9EjgP

其實與 dot product attention 的計算方式幾乎一樣，使用 Q, K 進行點積得到 attention weight(知道對每個時間點的該注意的程度)，再和 value 相乘得到加權結果。只差在 Q, K 進行點積之後除以一個 hidden dimension (d_k) 的根號，是為了避免點積的結果太大影響訓練穩定程度 ( 除以根號 d_k 之後可以讓方差變成 1 ) https://imgur.com/QTzusmn

Multi-Head Attention 其使用的 attention 計算公式為上述的 scaled dot-product attention，而其使用的機制為 multi-head attention，概念是分別將 Q, K, V 經過線性轉換(learnable的)成 h 個，再 h 個各自平行地去做 attention，最後再將 h 個結果 concatenate 在一起得到最終的結果，通常會希望 concatenate 之後的維度與原來相同(d_k)，因此在做線性轉換時通常會把 h 個轉換出來的結果維度為 d_k / h 寫成公式如下： https://imgur.com/Jqs3CYV

Position-wise Feed Forward Networks 其實就是兩層的 fully connected layers 搭配 Relu 總體架構來說，就是讓源句子做 self-attention 以殘差連接和 layer normalization，接著丟去 feed forward 也以殘差連接以及 layer normalization，這個動作重複 6 層後當作 Encoder 輸出，Decoder 階段目標句子同樣先做 self-attention (不過帶有 mask) 後，對 Encoder 的輸出做 attention 再丟進 feed forward，這三個步驟也都是殘差連接以及 layer normalization，並也做 6 層後經過一個線性轉換以及 softmax 輸出預測句子。 Why Self-Attention? 作者們認為主要有三大好處： 1. 降低了每一層的計算複雜度：只要 sequence length 小於 hidden dimension 就會比 RNN 複雜度低 2. 增加了可平行化處理的程度：加快訓練速度 3. 解決long-dependency的問題：字詞相距很遠難以關注到彼此的問題 Training 在訓練過程中他們也使用了 learning rate 遞減、dropout、label smoothing 等等 tips，在此不贅述。 Result https://imgur.com/2JJ5m4Z

當時在機器翻譯資料集 WMT2014 取得了 state-of-the-art 的結果，值得注意的是 Transformer 的 Training Cost 是比其他模型少許多的。這篇並沒有詳細提到 Positional Encoding 怎麼 init，因為本篇重點應該比較注重在 Attention，並且 Google 也在今年(2018)提出了一種新的將位置加入 Transformer 的方法，詳細可以參考 https://arxiv.org/abs/1803.02155 2) 個人心得這篇應該算是 NLP 近年來最多人關注的 paper 之一，Google 也還在針對這個架構進行研究發展新的 paper 來改善增進 Transformer 的問題與能力。舉例來說目前 Transformer 的其中一個問題是無法像 RNN-based model 做 schedule sampling 的訓練，讓模型在訓練階段都只能看 ground truth 而在測試階段就要看自己前一個時間點的輸出結果。底下附上我自己實作 Transformer 應用在 PTT Gossiping QA Dataset (https://github.com/zake7749/Gossiping-Chinese-Corpus ) 的一些結果: https://imgur.com/l0AsUa5

第一次寫這類型的文章，若有理解錯誤或是表達的不精確請各位大大指正~謝謝 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 61.218.53.138 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/DataScience/M.1533004952.A.244.html ※ 編輯: dav1a1223 (114.136.163.75), 07/31/2018 10:43:56