94 lines
11 KiB
Markdown
94 lines
11 KiB
Markdown
**Attention, The Transformer**
|
||
|
||
**Úvod**
|
||
|
||
Rekurentné neurónové siete, najmä long short-term pamäť (LSMT, špeciálny druh RNN, vytvorený na riešenie problémov s miznúcim gradientom) a uzavreté rekurentné neurónové siete, boli pevne zavedené ako najmodernejšie prístupy k problémom sekvenčného modelovania a prenosov, ako je jazykové modelovanie a strojový preklad. Početné snahy odvtedy pokračujú v posúvaní hraníc rekurentných jazykových modelov a architektúr encoder-decoder. Sieťové pamäte typu end-to-end sú založené na RNN (Recurrent Neural Network) mechanizme namiesto opakovania zarovnaného podľa sekvencie a ukázalo sa, že fungujú dobre pri úlohách zodpovedajúcich otázky v jednoduchom jazyku a pri modelovaní jazykov. End-to-end učenie je typ Deep Learningu, v ktorom sú všetky parametre trénované spoločne, a nie krok za krokom.
|
||
|
||
Transformer je modelovú architektúru, ktorá sa vyhýba opakovaniu a namiesto toho sa úplne spolieha na mechanizmus pozornosti na kreslenie globálnych závislostí medzi vstupom a výstupom. Je to prvý transdukčný model, ktorý sa spolieha úplne na vlastnú pozornosť pri výpočte reprezentácii vstupu a výstupu bez použitia RNN (Recurrent Neural Network) alebo CNN (Convolution Neural Network). Používa sa predovšetkým v oblasti NLP (Natural Language Processing) a CV (Computer Vision). Mechanizmy pozornosti sa stali súčasťou presvedčivého modelovania sekvencií a prenosových modelov v rôznych úlohách, ktoré umožňujú modelovanie závislostí bez ohľadu na ich vzdialenosť vo vstupných alebo výstupných sekvenciách. Takmer vo všetkých prípadoch sa však takéto mechanizmy pozornosti používajú v spojení s rekurentnou sieťou.
|
||
|
||
**Modelová architektúra**
|
||
|
||
Väčšina konkurenčných prenosových modelov neurónovej sekvencie má štruktúru encoder-decoder. V tomto prípade encoder mapuje vstupnú sekvenciu symbolových reprezentácií (x1, ..., xn) na sekvenciu spojitých reprezentácií z = (z1, ..., zn). Vzhľadom na z, decoder potom generuje výstupnú sekvenciu (y1, ..., ym) symbolov jeden po druhom. V každom kroku je model automaticky regresívny a pri generovaní ďalšieho spotrebuje predtým vygenerované symboly ako ďalší vstup.
|
||
|
||
**Pozornosť**
|
||
|
||
Funkciu pozornosti je možné opísať ako mapovanie dotazu a sady párov kľúčov a hodnôt na výstup, kde dotaz, kľúče, hodnoty a výstup sú všetko vektory Výstup sa vypočíta ako vážený súčet hodnôt, pričom hmotnosť priradená každej hodnote sa vypočíta pomocou funkcie kompatibility dotazu so zodpovedajúcim kľúčom.
|
||
|
||
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|Obr 1. Modelová architektúra Transformer|
|
||
|
||
**Encoder-Decoder architektúra**
|
||
|
||
Rovnako ako predchádzajúce modely, Transformer používa architektúru encoder-decoder. Encoder-Decoder architektúra je spôsob použitia rekurentných neurónových sietí na problémy s predikciou sekvencie k sekvencii. Pôvodne bol vyvinutý pre problémy so strojovým prekladom, aj keď sa osvedčil pri súvisiacich problémoch s predikciou sekvencie k sekvencii, ako je zhrnutie textu a zodpovedanie otázok. Skladá sa z 3 častí (encoder, intermediate vector a decoder).
|
||
|
||
Encoder – prijme jeden prvok vstupnej sekvencie v každom časovom kroku, spracuje ho, zhromaždí informácie o danom prvku a šíri ho ďalej.
|
||
|
||
Intermediate vector – konečný vnútorný stav vytvorený z časti encoder modelu. Obsahuje informácie o celej vstupnej sekvencii, ktoré pomôžu decoderu robiť presné predpovede.
|
||
|
||
Decoder – predpovedá výstup v každom časovom kroku.
|
||
|
||
Encoder pozostáva z kódovacích vrstiev, ktoré spracovávajú vstup iteračne jednu vrstvu za druhou, zatiaľ čo decoder pozostáva z dekódovacích vrstiev, ktoré robia to isté s výstupom encodera. Funkciou každej vrstvy encodera je generovať kódovanie, ktoré obsahuje informácie o tom, ktoré časti vstupov sú navzájom relevantné. Odošle svoje kódovanie do ďalšej vrstvy encodera ako vstupy. Každá decoderová vrstva robí opak, pričom použije všetky kódovania a na začlenenie výstupnej sekvencie použije svoje začlenené kontextové informácie. Aby sa to dosiahlo, každá vrstva encodera a decodera využíva mechanizmus pozornosti.
|
||
|
||
Pri každom vstupe pozornosť zvažuje relevanciu každého ďalšieho vstupu a čerpá z neho pri vytváraní výstupu. Každá decoderová vrstva má mechanizmus dodatočnej pozornosti, ktorý čerpá informácie z výstupov predchádzajúcich decoderov, než vrstva decodera čerpá informácie z kódovaní.
|
||
|
||
Obe vrstvy encodera a decodera majú feed-forward neurónovú sieť (umelá neurónová sieť, v ktorej spojenia medzi uzlami netvoria cyklus) na dodatočné spracovanie výstupov a obsahujú zvyškové spojenia a kroky na normalizácie vrstiev.
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|Obr 2. Štruktúra modelu sequence to sequence (encoder-decoder)|
|
||
|
||
**Transformer Encoder**
|
||
|
||
Encoder sa skladá zo zásobníka _N = 6_ rovnakých vrstiev. Každá vrstva má dve podvrstvy. Prvým je multi-head self-attention mechanizmus a druhým je jednoduchá polohovo plne prepojená sieť spätnej väzby. Multi-head Attention je modul pre mechanizmy pozornosti, ktorý prechádza mechanizmom pozornosti niekoľkokrát paralelne. Self-attention, tiež známy ako Intra-attention, je mechanizmus pozornosti, ktorý spája rôzne polohy jednej sekvencie s cieľom vypočítať reprezentáciu tej istej sekvencie. Okolo každej z dvoch čiastkových vrstiev sa používa zvyškové spojenie, po ktorom nasleduje normalizácia vrstvy. To znamená, že výstupom každej podvrstvy je _LayerNorm (x + Sublayer (x))_, kde _Sublayer (x)_ je funkcia implementovaná samotnou podvrstvou. Aby sa uľahčili tieto zvyškové spojenia, všetky podvrstvy v modeli, ako aj vkladacie vrstvy, produkujú výstupy dimenzie _dmodel_ = 512.
|
||
|
||
**Transformer Decoder**
|
||
|
||
Decoder je tiež zložený zo zásobníka _N = 6_ rovnakých vrstiev. Okrem dvoch podvrstiev v každej vrstve encodera, decoder vkladá tretiu podvrstvu, ktorá vykonáva multi-head attention nad výstupom encoder zásobníka. Podobne ako encoder, používa zvyškové spojenia okolo každej z podvrstiev, po ktorých nasleduje normalizácia vrstvy. Toto maskovanie v kombinácii so skutočnosťou, že vloženia výstupov sú posunuté o jednu pozíciu, zaisťuje, že predpovede pre polohu _i_ môžu závisieť iba od známych výstupov v polohách menších ako _i_.
|
||
|
||
**Scaled Dot-Product Attention**
|
||
|
||
Našu osobitnú pozornosť nazývame „Pozornosť zameraná na produkt“ (obrázok 2). Vstup pozostáva z dotazov a kľúčov dimenzie _dk_ a hodnôt dimenzie _dv_. Bodové produkty dotazu vypočítame všetkými klávesmi, každý vydelíme √_dk_ a použijeme funkciu _softmax_, aby sme získali váhy hodnôt.
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|Obr 3. Scaled Dot-Production Attention|
|
||
|
||
V praxi počítame funkciu pozornosti pre množinu dotazov súčasne zabalených do matice _Q_. Kľúče a hodnoty sú tiež zabalené spolu do matíc _K_ a _V_. Maticu výstupov vypočítame ako:
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|
||
Dve najčastejšie používané funkcie pozornosti sú additive attention a dot-product attention. Dot-product attention je identická s naším algoritmom, s výnimkou faktora mierky 1/$\sqrt{dk}$. Additive attention počíta funkciu kompatibility pomocou siete spätnej väzby s jednou skrytou vrstvou. Aj keď sú tieto dva teoreticky náročné, dot-product attention je v praxi oveľa rýchlejšia a priestorovo efektívnejšia, pretože je možné ich implementovať pomocou vysoko optimalizovaného maticového multiplikačného kódu.
|
||
|
||
Zatiaľ čo pri malých hodnotách dk tieto dva mechanizmy fungujú podobne, additive attention prevyšuje pozornosť produktu bez toho, aby sa škálovala pri väčších hodnotách _dk_. Je pravdepodobné, že pri veľkých hodnotách _dk_ sa bodové produkty zväčšujú a tlačia funkciu _softmax_ do oblastí, kde má extrémne malé gradienty (v strojovom učení je gradient derivátom funkcie, ktorá má viac ako jednu vstupnú premennú). Aby sa tomuto efektu zabránilo, škálujeme bodové produkty o 1/$\sqrt{dk}$
|
||
|
||
Multi-Head Attention
|
||
|
||
Namiesto toho, aby sme vykonávali funkciu jedinej pozornosti s _dmodel_-dimenzionálnymi kľúčmi, hodnotami a dotazmi, považuje sa za výhodné lineárne premietať dotazy, kľúče a hodnoty _h_-krát s rôznymi, naučenými lineárnymi projekciami do dimenzií _dk_, _dk_ a _dv_. Na každej z týchto predpokladaných verzií dotazov, kľúčov a hodnôt potom paralelne vykonávame funkciu pozornosti, čím sme získali _dv_-dimenzionálne výstupné hodnoty. Tieto sú zreťazené a znova premietnuté, výsledkom sú konečné hodnoty (obrázok 4).
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|Obr 4. Multi-Head Attention|
|
||
|
||
Multi-head attention umožňuje modelu spoločne sa zaoberať informáciami z rôznych reprezentačných podpriestorov na rôznych pozíciách. Pri použití single-head attention to priemerovanie bráni.
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|
||
||
|
||
|:--:|
|
||
|Obr 5. matice parametrov|
|
||
|
||
V tomto prípade si za _h_ dosadíme 8 paralelných vrstiev pozornosti, alebo „heads“. Pre každý z nich používame _dk_ = _dv_ = _dmodel/h_ = _64_. Vzhľadom na zmenšený rozmer každej hlavy sú celkové výpočtové náklady podobné nákladom na pozornosť single-head s plnou dimenzionalitou (koľko atribútov má množina údajov).
|
||
|
||
|
||
The Transformer využíva Multi-head attention tromi rôznymi spôsobmi:
|
||
|
||
Vo vrstvách „encoder-decoder attention“ pochádzajú dotazy z predchádzajúcej vrstvy decodera a pamäťové kľúče a hodnoty sú z výstupu encodera. To umožňuje každej pozícii v decoderi zúčastniť sa na všetkých pozíciách vo vstupnej sekvencii.
|
||
|
||
Encoder obsahuje vrstvy self-attention. Vo vrstve self-attention pochádzajú všetky kľúče, hodnoty a dotazy z rovnakého miesta, teda predchádzajúcej vrstvy v encoderu. Každá pozícia v encoderi sa môže venovať všetkým polohám v predchádzajúcej vrstve encodera.
|
||
|
||
Vrstvy self-attention v decoderi umožňujú každej pozícii v decoderi zúčastniť sa na všetkých polohách v decoderi až do danej polohy. Musí sa zabrániť toku informácii v decoderi, aby sa zachovala autoregresívna vlastnosť (model časových radov, ktorý používa pozorovania z predchádzajúcich časových krokov ako vstup do regresnej rovnice na predpovedanie hodnoty v nasledujúcom časovom kroku). To implementujeme do scaled dot-product attention pomocou maskovania (nastavením na -∞) všetkých hodnôt na vstupe softmax, ktoré zodpovedajú nezákonným spojeniam. |