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文：Zilong

2017年Attention is all you need横空出世，Transformer横扫机器翻译，隔年诞生的BERT建立在层层堆叠的Transformer之上，凭借这个平平无奇的Attention点乘模型一举刷新了各种沉积许久的榜单，一夜间仿佛不懂Transformer，都不敢说自己是NLPer了，曾经最心爱的RNN也瞬间黯然失色。

Transformer有着简易的的结构、SOTA的能力，搭配CUDA矩阵并行运算，不仅效果上比RNN胜出一筹，在运算效率上也遥遥领先。于是，无数论文纷至沓来，留给RNN的时间已经不多了。

然而，Transformer大厦上空依旧有着一朵乌云，让NLPer耿耿于怀，Transformer的核心结构——self attention归根到底依旧是二维矩阵运算，纵使抛弃了RNN中时序运算，得到了极大的运算效率的提升，但是计算机系本科生都知道，矩阵运算的复杂度是丑陋的。

当Transformer遇到文档分类或者篇章理解之类的任务，随着文档长度增长，计算效率愈发难以忍受。为了解决运算复杂度的问题，NLPer提出了各种改进的版本，xformer家族日渐壮大，一个个都声称自己解决了Transformer的核心问题，试图挑战transformer老大哥的地位。其中不乏佼佼者如：

• Reformer (https://arxiv.org/abs/2001.04451)：通过Locality Sensitive Hashing类似于桶排序，将相似向量归为一类，计算同类向量之间的点积，复杂度为。

• Linformer (https://arxiv.org/abs/2006.04768)：认为注意力机制是低秩，信息集中在前k大的奇异值中，通过线性映射将复杂度降为，当足够小，模型接近线性时间。

• Sinkhorn Transformers (https://arxiv.org/abs/2002.11296.pdf)：将输入分块，并基于Sinkhorn对输入键值对进行重新排序，并应用基于块的局部注意力机制来学习稀疏模式。

• Performers (https://arxiv.org/abs/2009.14794)：通过正交随机特征算法加速注意力计算，改用Positive Orthogonal Random Features对常规softmax注意力进行鲁棒且无偏的估计。

• Synthesizers (https://arxiv.org/abs/2005.00743)：没有保持“token对token”形式的注意力形式，抛弃了原有注意力的动态特点，利用线性变换得到注意力矩阵。

• Linear Transformers (https://arxiv.org/abs/2006.16236)：通过使用核函数并且替换掉SoftMax，来简化Attention的计算过程，使复杂度降至。

• BigBird (https://proceedings.neurips.cc//paper/2020/hash/c8512d142a2d849725f31a9a7a361ab9-Abstract.html)：在Longformer的滑动窗口和膨胀窗口的基础上增加了Random attention，当前长序列建模的SOTA，刷新了QA和摘要的SOTA，同时也被证明是图灵完备的。

但是这些文章都是自说自话，用着各式各样的benchmarks、metrics，并没有一个统一的标准比一比Transformer哪家强。于是Google出面提出了Long Range Arena，试图从核心问题场景长文本分析入手，提出评价模型的6个标准、6大任务，逐一比较各个新兴xformer和原始Transformer的表现。

论文题目：

Long Range Arena: A Benchmark for Efficient Transformers

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2011.04006

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6个标准

贴心如Google，纵使坐拥海量资源，依旧心系贫下中农，时时刻刻担心抱着CPU炼丹的码农跑不了他的代码，于是LRA严于律己，树立了6个标准，确保LRA标准适用范围足够广泛。

1. 通用性：所有Transformer都能使

2. 简易性：无需数据增强、预训练等繁琐的准备步骤

3. 挑战性：任务足够难，人人都90%+就没意思了（能卷起来）

4. 长输入：Long Range Arena，输入自然要长一点，测试场景就是长输入下的表现

5. 多方面：方方面面都需要考察到，如长距离依赖、泛化能力等等

6. 轻计算：“妈妈再也不用担心我没有工业级显卡了”

6个任务

Google上先抛出了严格的6个标准，然后将准备好的任务娓娓道来。

• Long ListOps这个任务看起来神似前缀表达式，考虑max、min、median、sum_mod四种运算外带括号形成的hierarchical structure，考察xformer对长序列层次结构的理解能力。

• Byte-level Text Classification、Byte-level Document Retrieval这两个任务主要关注对长文本的概括能力，测试xformer能否提取到长文本的足够信息量用于分类和匹配，值得注意的是，Google选取了Byte-level的输入，即字符级别的输入，轻松构造出长达4k的输入。

• Image Classification on Sequences of PixelsGoogle还企图将Transformer用于CV的任务中，这个任务将的图片拉成的像素序列，当作文本去做分类任务。因为输入直接抹去了二维信息，这个任务不仅考察了xformer对序列特征的捕捉能力，同时考察了对层次结构的感知力。

  PathFinder (Long-Range Spatial Dependency)、PathFinder-X (Long-Range Spatial Dependencies with Extreme Lengthts)

  最后两个任务依然是建立在图片之上，给定图片上两个圆点和若干条曲线，需要模型判断，这两个圆点是否被某一条曲线连接，xformer的输入依然是将2维图片拉长成一条1维的像素序列。而第二个任务PathFinder-X，意思是“格外的长”，图片大小变为，于是序列长度达到16384，文章说就是想看看同一个问题，序列变长，会不会变难，xformer会不会处理不了，从结果来看，确实都处理不了，结果勉强达到随机分类的50%。

结果！

结果终于揭晓了，究竟Google LRA眼中Transformer哪家强呢？Google不仅报告了各个xformer的表现，同时还分析了时间和空间的消耗。6个任务中，ListOps差距最为明显，Linear Transformer和Performer难以捕捉层次结构信息，比原始Transformer下降了20%左右。其他各个任务中，各有优劣，差距并没有ListOps任务明显。另外，对于PathFinder-X任务，所有xformer都无法得到满意的结果，说明序列长度过长的情况下，Transformer无法很好的理解序列信息。

速度上，利用核函数的方法整体速度提升明显，表现最优的是Performer，不少模型提出时声称达到线性复杂度，但是在LRA上速度却没有明显提高，甚至有所下降，如Reformer，在4组不同长度输入的实验中，速度始终慢于原始Transformer。

考虑各个xformer的表现、速度、占用内存，排名情况如图所示：

可见xformer百花齐放，各有千秋，总之一句话"No one-size-fits-all"：

• 有的模型在个别任务上表现惊艳，却无法兼顾所有，例如Performers和Linear Transformers，虽然个别任务上相比原始Transformer有所下降，但是速度上提升极大

• 有的模型在各个任务上平均成绩出色，却一个第一也拿不到，例如BigBird，虽然号称线性复杂度，但是在实际测试环境中速度和原始Transformer差不多，性能却得到了一定的加强。

• 有的模型利用了复杂的技巧，但是速度却没有优势，性能可能有明显的下降，例如reformer、synthesizer。

权衡之下，似乎基于核函数的模型，如Performer、Linformer、linear transformer是兼顾各个方面的较优解。可能并不存在十全十美的模型，某个模型一统江湖的注定是乏味无趣的，根据自己任务合理选择模型，设计结构，最终得到针对当前问题的SOTA才是程序员朴实无华的快乐吧~

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