作者｜魔王

来源｜机器之心

基于注意力的架构为什么那么有效？近期谷歌等一项研究认为注意力并没有那么有用，它会导致秩崩溃，而网络中的另两个组件则发挥了重要作用：「跳过连接」有效缓解秩崩溃，「多层感知器」能够降低收敛速度。此外，该研究还提出了一种理解自注意力网络的新方式——路径分解。

基于注意力的架构在机器学习领域已经非常普遍，但人们对其有效性原因的理解仍然有限。

最近，来自谷歌和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究者提出了一种理解自注意力网络的新方式：将网络输出分解为一组较小的项，每个项包括一系列注意力头的跨层操作。基于该分解，研究者证明自注意力具备强大的「token uniformity」归纳偏置。

也就是说，如果没有跳过连接（skip connection）或多层感知器（MLP），其输出将双指数级收敛至秩 1 矩阵。另外，跳过连接和 MLP 还可以阻止输出的衰退。该研究在不同 Transformer 变体上的实验证实了这一收敛现象。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2103.03404.pdf

项目地址：https://github.com/twistedcubic/attention-rank-collapse

纯注意力以双指数级速率丢失秩

注意力机制最初旨在更好地学习长程序列知识，在 Transformer 网络中得到了有效使用。之后，基于注意力的架构逐渐渗透到多个机器学习应用领域，如自然语言处理、语音识别和计算机视觉。因此，开发一些工具，来理解 Transformer 和注意力的内在工作机制是非常重要的，这既可以帮助理解现有的模型，又能为未来设计更高效的模型做准备。

该研究对此类网络的操作和归纳偏置提供了新的见解。研究者惊讶地发现纯自注意力网络（SAN）——即不具备跳过连接（skip connection）和多层感知器（MLP）的 Transformer，会损失一部分表达能力，其损失程度与网络深度成双指数级关联。具体而言，研究者证明网络输出以三次方收敛速度收敛至秩 1 矩阵。

研究者利用随机矩阵的特性部分地推导出收敛界限，但其结果超出了想象。利用特殊堆叠自注意力模块的级联效应，研究者发现这类网络的收敛速度比标准理论所描述的快指数级。

此外，尽管之前有研究考虑了单个自注意力矩阵的秩，但该研究认为其结果首次说明了整个网络收敛至秩 1 矩阵的条件。

注意力机制不给力，Transformer 凭什么那么有效呢？

问题来了：如果 Transformer 的自注意力机制不给力，又是什么赋予了它优秀的能力呢？

该研究分析了三个重要组件：跳过连接、MLP 和层归一化，结果表明，跳过连接能够有效地缓解秩崩溃（rank collapse），MLP 则通过增加利普希茨常数来降低收敛速度。

MLP 的作用。

研究者通过证明在类 Transformer 的 SAN 架构变体上的收敛行为的上下界，描述了这些反作用力。研究结果揭示了跳过连接此前不为人知的重要作用，它的作用可不只是促进优化和梯度流动。

跳过连接的下界。

路径分解

在分析过程中，研究者提出了一种新的路径分解方式来研究自注意力网络。他们将 SAN 分解为弱耦合路径的线性组合，每一条「路径」对应一个深度单头 SAN。

直观来看，我们可以将原始网络中每一层的自注意力头看作不同的 gateway，一条路径遵循一系列 gateway 选择，每层一个 gateway（参见图 1）。结合秩崩溃分析，该研究结果表明具备跳过连接的深度 SAN 类似于多个弱相依浅层网络的集成。

该研究的主要贡献如下：

1. 系统研究了 Transformer 的构造块，揭示自注意力与其反作用力（跳过连接和 MLP）之间的对抗影响。这揭示了跳过连接在促进优化之外的重要作用。

2. 提出一种通过路径分解来分析 SAN 的新方法，发现 SAN 是多个浅层网络的集成。

3. 在多个常见 Transformer 架构上进行实验，从而验证其理论。

实验

该研究首次在多个知名 Transformer 架构中测试了秩崩溃现象，用图示的方式表示一些 Transformer 变体的归纳偏置，并测试了路径有效性。

真实架构中的秩崩溃

为了验证其理论预测，研究者检查了三个知名 Transformer 架构的残差，分别是 BERT、Albert 和 XLNet。下图 2 绘制了网络训练前后每个层输出的相对残差：

该实验确认，移除跳过连接后，所有网络均出现快速秩崩溃。尽管 MLP 在缓解收敛方面似乎没太大帮助，但研究者注意到这一观察未必准确反映 Transformer 的运作原理：移除跳过连接会导致 MLP 输入出现极大的分布偏移。研究者希望网络重新训练会降低收敛速度。

可视化不同架构的偏差

为了实验验证 Transformer 架构不同组件的归纳偏置，研究者探索了循环使用单层 Transformer 来预测简单 2D 环状序列的行为。研究者训练网络直到它能够以接近 0 的损失记住环状轨迹上的下一步。下图 3 展示了模型在推断时预测的轨迹：

路径的有效性

SAN 可被视作多个不同长度（从 0 到 L）路径的集成，每一个路径包含不同的自注意力头序列。该研究对具备跳过连接的 SAN 进行的分析表明，路径有效性会随着路径长度的增加而降低，即使涉及的非线性运算数量增加了。为了验证这一假设，研究者将不同长度的路径分隔开，并评估其预测能力。

下图 4 展示了在序列记忆（Sequence memorization）、学习分类（Learning to sort）和凸包预测（Convex hull prediction）三项任务中的性能。研究者测试了不同的子集，并报告了五次重复试验的均值和标准差。至于推断，研究者还绘制了朴素分类器和整个训练模型（路径分解前）的准确率。

从上图中可以看到，短路径具备较强的预测能力，长度为 1 的路径在记忆、分类和凸包任务中分别获得了超过 0.8、0.6、0.65 的准确率。而较长路径的输出准确率并不比随机猜测好多少。由于凸包任务中存在类别不均衡现象，研究者使用多数类预测器来获取随机基线。尽管凸包任务中长短路径的准确率差异没那么大，但研究者观察到长路径的方差明显更大，这表明其比随机猜测好不了太多。长度为 0 的路径方差很小，但未获得和任务相关的有用信息（很可能是因为它们没有穷尽全局信息）。

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