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如何最简单、通俗地理解Transformer？

发布时间：2024年06月06日

这个东西很难说到底有没有一种简单、通俗地理解方式。

你看这个问题下面现在有60多个回答，我大概翻看了一下，几乎都是长篇大论，原因很简单，Transformer就不是简单几句话就能讲得清楚的。

我个人的观点是要想系统而又透彻地理解 Transformer，至少要遵循下面这样一个思路（步骤）：

首先，了解一些NLP领域的基本知识，比如文本是如何被表征的，序列文本信息的处理，基于（深度神经网络）的语言模型是如何处理自然语言的；
Transformer主要解决了什么问题。重点关注的方面有（自）注意力机制，多头注意力，Transformer的内部结构；
动手实现一个Transformer应用。

第一点属于要求掌握一些背景知识，而第三点是有意向深入学习，甚至想在实践中用Transformer做点什么的人去关注。

考虑到看这个问题的知友应该多多少少都了解一些NLP领域的知识，所以默认以及满足第一个条件。

下面进入正题。

什么是 Transformer？

一切源于2017年谷歌Brain团队那篇鼎鼎大名的文章“Attention Is All You Need”（注意力就是你所需要的一切），就是这篇文章提出了Transformer网络结构。

Transformer的意义体现在它的长距离依赖关系处理和并行计算，而这两点都离不开其提出的自注意力机制。

首先，Transformer引入的自注意力机制能够有效捕捉序列信息中长距离依赖关系，相比于以往的RNNs，它在处理长序列时的表现更好。

而自注意力机制的另一个特点时允许模型并行计算，无需RNN一样t步骤的计算必须依赖t-1步骤的结果，因此Transformer结构让模型的计算效率更高，加速训练和推理速度。

Transformer最开始应用于NLP领域的机器翻译任务，但是它的通用性很好，除了NLP领域的其他任务，经过变体，还可以用于视觉领域，如ViT（Vision Transformer）。

这些特点让Transformer自2017年发布以来，持续受到关注，基于Transformer的工作和应用层出不穷。包括当下最热门的AI大语言模型/聊天机器人，比如ChatGPT、文心一言、Bard等等。

这些AI大模型能生成“真假难辨”的新闻、专业论文等等，跟人类进行对话，生成代码等一系列复杂的任务。

比如，就拿这个题目的问题去问ChatGPT。我想让它给一个没有深度学习、nlp领域知识的人介绍Transformer，看他如何作答。

如果觉得还是有不少专业词汇不理解，重新让它更通俗的解释Transformer。

既然提到ChatGPT，就多说几句。大家要学会利用好ChatGPT这个“老师”。对于很多领域，ChatGPT所掌握的知识深度都超过了一个本科生（甚至更高）的水平。

像我上面这个例子只是最简单的使用ChatGPT的方法，其实ChatGPT的能力远不止这些。
就像同样一个工具，在老师傅手里和在刚入门的新手手里，其能发挥出来的功用是天壤之别的，ChatGPT等AI工具也是一样。

对于想深入学习ChatGPT和AI大语言模型（LLM）工具的知友，推荐去了解一下由知乎知学堂和AGI课堂共同推出的程序员的AI大模型进阶之旅公开课。学习使用聊天机器人的同时，还能学习更多AI大模型的知识。可以添加助教微信领取大模型资料包和好用的AI工具。有需要去下方免费领取。

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说回到问题，上面提到，Transformer中最重要的一个方面是自注意力机制，那么到底应该如何理解这个概念呢。

什么是注意力机制？

首先来看注意力机制（Attention）用来干嘛？

我们人类在感知环境的时候（比如看一张图像或者一个句子），大脑能够让我们分清那部分是重要的，哪部分是次要的，从而聚焦更重要的方面以获得对应的信息。

而我们在设计神经网络模型的时候，希望模型也能具有这样的能力。例如，预测一个句子中的单词时，使用一个注意力向量来估计它在多大程度上与其他元素相关。

简单的说，注意力机制描述了（序列）元素的加权平均值，其权重是根据输入的query和元素的键值进行动态计算的。具体地，在注意力机制中，有4个概念需要明确。

Query：Query（查询）是一个特征向量，描述我们在序列中寻找什么，即我们可能想要注意什么。
Keys：每个输入元素有一个键，它也是一个特征向量。该特征向量粗略地描述了该元素“提供”什么，或者它何时可能很重要。键的设计应该使得我们可以根据Query来识别我们想要关注的元素。
Values：每个输入元素，我们还有一个值向量。这个向量就是我们想要平均的向量。
Score function：评分函数，为了对想要关注的元素进行评分，我们需要指定一个评分函数f该函数将查询和键作为输入，并输出查询-键对的得分/注意力权重。它通常通过简单的相似性度量来实现，例如点积或MLP。

由此，权重通过softmax函数计算得出：

下图直观描述注意力如何作用在一系列单词上。对于每个单词，都有一个键和一个值向量。使用评分函数（在本例中为点积）将query与所有键进行比较以确定权重。最后，使用注意力权重对所有单词的值向量进行平均。（为了简单起见，softmax 没有可视化。）

大多数注意力机制在使用哪些query、如何定义键、值向量，以及使用什么评分函数方面有所不同。

Transformer 架构内部应用的注意力称为自注意力（self-attention）。在自注意力中，每个序列元素提供一个键、值和query。对于每个元素，根据其query作用一个注意力神经层，检查所有序列元素键的相似性，并为每个元素返回一个不同的平均值向量。

自注意力机制

自注意力背后的核心概念是缩放点积注意力（Scaled Dot Product Attention）。目标是建立一种注意力机制，序列中的任何元素都可以关注任何其他元素，同时仍能高效计算。

点积注意力将一组查询Q，键K和值V（三者矩阵尺寸为T*d，T为序列长度，d为查询、键或值的维度）。点积注意力的计算方法如下：

多头注意力

缩放点积注意力让模型对一个序列进行“关注”。然而，序列元素通常需要关注多个不同方面，并且单个加权平均值并不是最佳选择。这就是提出多头注意力机制（Multi-Head Attention）的根源，即相同特征上的多个不同的（查询，键，值）三元组。

具体来说，给定一个查询、键和值矩阵，我们将它们转换为h个子查询、子键和子值，然后分别输入给点击注意力模型，最后连接头部并将它们与最终的权重矩阵组合起来。

多头注意力的一个关键特征是它相对于输入具有置换同变性（permutation-equivariant）。因此，多头注意力实际上不是将输入视为序列，而是视为一组元素。这一特性使得多头注意力模块和 Transformer 架构适用广泛。

然而，可能很多人也想到了，如果输入的顺序对于解决任务（例如语言建模）实际上很重要怎么办？答案是对输入特征中的位置进行编码。

Transformer编码器

最初，Transformer 模型是为机器翻译而设计的。它是一个编码器-解码器结构，其中编码器将原始语言的句子作为输入并生成基于注意力的表征。而解码器关注编码信息并以自回归方式生成翻译的句子，就像 RNN 一样。

编码器由N个相同的模块组成，输入x首先通过上面提到的多头注意力块。使用残差连接将输出添加到原始输入，每一次都有归一化操作。

残差连接在
Transformer 架构中至关重要。

1、首先，与 ResNet 类似，Transformers 层级很深。某些模型的编码器中包含超过 24 个blocks。因此，残差连接对于模型梯度的平滑流动至关重要。

2、如果没有残余连接，原始序列的信息就会丢失。多头注意力层忽略序列中元素的位置，并且只能根据输入特征来学习它。删除残余连接意味着该信息在第一个注意层之后（初始化之后）丢失，并且使用随机初始化的查询和键向量，位置i的输出向量与其原始输入无关。注意力的所有输出都可能表示相似/相同的信息，并且模型没有机会区分哪些信息来自哪个输入元素。

归一化层在
Transformer 架构中也发挥着重要作用，它可以实现更快的训练速度。

除了多头注意力之外，模型中还包括一个小型全连接前馈网络，应用于每一个block。它增加了模型的复杂度，并允许单独对每个序列元素进行转换。

位置编码

上面已经提到过，多头注意力模块是置换同变性的，并且无法区分一个输入是否出现在序列中的另一个输入之前。然而，在语言理解等任务中，位置对于解释输入单词非常重要。因此可以通过输入特征添加位置信息。Transformer通过向输入的每个嵌入（embedding）中添加一个向量完成位置编码（position encoding）。

学习资源

最后，介绍几个比较优秀的Transformer的论文解读和教程，供大家参考。

1、Transformer: A Novel Neural Network Architecture for Language
Understanding

谷歌官方团队在Transformer刚出来时的一篇博客，重点关注Transformer在机器翻译领域的应用。

下面的动画展示了如何将 Transformer 应用到机器翻译中。用于机器翻译的神经网络通常包含一个编码器，读取输入句子并生成它的表示。然后，解码器逐字生成输出句子，同时参考编码器生成的表示。 Transformer 首先为每个单词生成初始表示或嵌入。这些由未填充的圆圈表示。然后，使用自注意力机制，它聚合来自所有其他单词的信息，根据整个上下文生成每个单词的新表征，由实心球表示。然后对所有单词并行重复此步骤多次，连续生成新的表征。