Google新作Synthesizer：我们还不够了解自注意力

©PaperWeekly 原创 · 作者｜苏剑林

单位｜追一科技

研究方向｜NLP、神经网络

写在开头

深度学习这个箱子，远比我们想象的要黑。

据说物理学家费曼说过一句话[来源] [1] ：“谁要是说他懂得量子力学，那他就是真的不懂量子力学。”我现在越来越觉得，这句话中的“量子力学”也可以替换为“深度学习”。尽管深度学习已经在越来越多的领域证明了其有效性，但我们对它的解释性依然相当无力。

当然，这几年来已经有不少工作致力于打开深度学习这个黑箱，但是很无奈，这些工作基本都是“马后炮”式的，也就是在已有的实验结果基础上提出一些勉强能说服自己的解释，无法做到自上而下的构建和理解模型的原理，更不用说提出一些前瞻性的预测。

本文关注的是自注意力机制。直观上来看，自注意力机制算是解释性比较强的模型之一了，它通过自己与自己的 Attention 来自动捕捉了 token 与 token 之间的关联，事实上在 Attention is All You Need [2] 那篇论文中，就给出了如下的看上去挺合理的可视化效果：

▲《Attention is All You Need》一文中对 Attention 的可视化例子

但自注意力机制真的是这样生效的吗？这种“token对token”的注意力是必须的吗？前不久 Google 的新论文 Synthesizer: Rethinking Self-Attention in Transformer Models 对自注意力机制做了一些“异想天开”的探索，里边的结果也许会颠覆我们对自注意力的认知。

论文标题： Synthesizer: Rethinking Self-Attention in Transformer Models

论文链接： https://arxiv.org/abs/2005.00743

自注意力

自注意力模型的流行，始于 2017 年 Google 发表的 Attention is All You Need  [2] 一文，关于它的科普读者还可以参考笔者旧作《Attention is All You Need》浅读（简介+代码）。它的基础是 Scaled-Dot Attention，定义如下：

其中 ，softmax 则是在 m 的那一维进行归一化。而自注意力，则是对于同一个 ，通过不同的投影矩阵

得到 

然后再做 Attention，即：

至于 Multi-Head Attention，则不过是 Attention 运算在不同的参数下重复多次然后将多个输出拼接起来，属于比较朴素的增强。而关于它的进一步推广，则可以参考《突破瓶颈，打造更强大的 Transformer》 [3] 。

天马行空

本质上来看，自注意力就是通过一个 的矩阵 和 的矩阵 ，将原本是 的矩阵 ，变成了 的矩阵 。其中矩阵 是动态生成的，即：

对于矩阵 ，本质上来说它就是 里边两两向量的内积组合，所以我们称它为“token对token”的 Attention。

▲ Synthesizer自注意力与标准自注意力的对比

那么，就到了前面提出的问题：“token 对 token”是必须的吗？能不能通过其他方式来生成这个矩阵 ？Google 的这篇论文正是“天马行空”了几种新的形式并做了实验，这些形式统称为 Synthesizer。

3.1 Dense形式

第一种形式在原论文中称为 Dense： 需要是 大小的，而 是 的，所以只需要一个 的变换矩阵 就可以将它变成 了，即：

这其实就相当于把 固定为常数矩阵 了。当然，原论文还做得更复杂一些，用到了两层 Dense 层：

但思想上并没有什么变化。

3.2 Random形式

刚才说Dense形式相当于把 固定为常数矩阵，我们还能不能更“异想天开”一些：把 固定为常数矩阵？这时候整个 相当于是一个常数矩阵，即：

原论文中还真是实验了这种形式，称之为 Random，顾名思义，就是 是随机初始化的，然后可以选择随训练更新或不更新。

据原论文描述，固定形式的 Attention 首次出现在论文 Fixed Encoder Self-Attention Patterns in Transformer-Based Machine Translation [4]，不同点是那里的 Attention 矩阵是由一个函数算出来的，而 Google 这篇论文则是完全随机初始化的。

从形式上看，Random 实际上就相当于可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）运算。

3.3 低秩分解

上面两种新形式，往往会面对着参数过多的问题，所以很自然地就想到通过低秩分解来降低参数量。对于 Dense 和 Random，原论文也提出并验证了对应的低秩分解形式，分别称为 Factorized Dense 和 Factorized Random。

Factorized Dense 通过 Dense 的方式，生成两个 的矩阵 ，其中 ab=n；然后将 重复 b 次、然后将 重复 a 次，得到对应的 矩阵 ，最后将他们逐位相乘（个人感觉相乘之前 应该要转置一下比较合理，但原论文并没有提及），合成一个 的矩阵：

至于 Factorized Random 就很好理解了，本来是一整个 的矩阵 ，现在变成两个 的矩阵 ，然后：

3.4 混合模式

到目前为止，连同标准的自注意力，我们有5种不同的生成矩阵 的方案，它们也可以混合起来，即：

其中 是不同形式的自注意力矩阵，而 是可学习参数。

结果分析

前面介绍了统称为 Synthesizer 的几种新型自注意力形式，它们的共同特点是没有保持“token 对 token”形式，尤其是 Random，则完全抛弃了原有注意力的动态特点，变成了静态的矩阵。

那么，这些新型自注意力的效果如何呢？它们又怎样冲击我们对自注意力机制的认识呢？

4.1 机器翻译

第一个评测任务是机器翻译，详细地比较了各种自注意力形式的效果：

▲ Synthesizer在机器翻译任务上的表现对比

不知道读者怎么想，反正 Synthesizer 的这些结果是冲击了笔者对自注意力的认知的。表格显示，除了固定的 Random 外，所有的自注意力形式表现基本上都差不多，而且就算是固定的 Random 也有看得过去的效果，这表明我们以往对自注意力的认知和解释都太过片面了，并没有揭示自注意力生效的真正原因。

4.2 摘要对话

接下来在摘要和对话生成任务上的结果：

▲ Synthesizer在摘要和对话任务上的表现对比

在自动摘要这个任务上，标准注意力效果比较好，但是对话生成这个任务上，结果则反过来：标准的自注意力是最差的，Dense（D）和 Random（R）是最好的，而当 Dense 和 Random 混合了标准的自注意力后（即 D+V 和 R+V），效果也变差了。

这说明标准注意力并没有什么“独占鳌头”的优势，而几个 Synthesizer 看起来是标准注意力的“退化”，但事实上它们互不从属，各有优势。

4.3 预训练+微调

最后，对于我们这些普通读者来说，可能比较关心是“预训练+微调”的效果怎样，也就是说，将 BERT 之类的模型的自注意力替换之后表现如何？原论文确实也做了这个实验，不过 Baseline 不是 BERT 而是 T5，结果如下：

▲ Synthesizer在“预训练+微调”的表现对比

在这个结果中，相比标准自注意力，Dense 和 Random 就显得逊色了，这表明 Dense 和 Random 也许会在单一任务上表现得比较好，而迁移能力则比较弱。

但是不能否定的是，像 Random 这样的自注意力，由于直接省去了 这个矩阵运算，因此计算效率会有明显提升，因此如果能想法子解决这个迁移性问题，说不准 Transformer 模型家族将会迎来大换血。

文末小结

本文介绍了 Google 的新工作 Synthesizer，它是对目前流行的自注意力机制的反思和探索。论文中提出了几种新型的自注意力机制，并做了相当充分的实验，而实验结果很可能会冲击我们对自注意力机制的已有认知，值得大家读读。

参考链接

[1]https://en.wikiquote.org/wiki/Talk:Richard_Feynman#%22If_you_think_you_understand_quantum_mechanics,_you_don't_understand_quantum_mechanics.%22

[2] https://arxiv.org/abs/1706.03762

[3] https://kexue.fm/archives/7325

[4] https://arxiv.org/abs/2002.10260

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