Transformer模型-2-整体架构

总架构图

下图为Transformer模型架构图

原文描述

简单理解为它是一个盒子:

graph LR A[输入:机器学习] --> B[模型:Transformer:包含Encoder与Decoder两部分]--> C[输出:machine learning]

【举例】: 输入中文,输出英语

graph LR A[我爱你] --> B[Transformer模型] --> C[I love you]

每个Encoder 和 Decoder 都包含 6 个 block，上例可分解为：

这6个block结构相同，但参数各自随机初始化, 分别是:

• 第一层：多头自注意机制，有两子层
• 第二层：一个简单的、位置方向的全连接前馈(神经)网络，有两子层
• Add & Norm 层: 每个编码器的每个子层（Self-Attention 层和 FFN 层）都有一个残差连接和特征归一层，再执行一个层标准化操作

事实上，只是Transformer采用了6层结构，事实上可配置多层

Transformer的词向量维度是512。

BERT为768维

编码器：Encoder

Encoder由三个部分组成: 输入 、多头注意力 、前馈神经网络

输入：Inputs

Transformer 中单词的输入表示 x 由 Word Embedding 和 Position Embedding相加得到。

词嵌入：Word Embedding

词嵌入层 负责将自然语言转化为与其对应的独一无二的词向量表达。

位置编码器：Position Embedding

Transformer 中除了Word Embedding，还需要使用Position Embedding 表示单词出现在句子中的位置。因为 Transformer 不采用 RNN 的结构，而是使用全局信息，因此是无法捕捉到序列顺序信息的，

注意力机制

我们再来看一下这个图，图中红色圈中的部分为 Multi-Head Attention，是由多个 Self-Attention组成的，可以看到 Encoder 包含一个 Multi-Head Attention，而 Decoder 包含两个 Multi-Head Attention (其中有一个用到 Masked)。

Multi-Head Attention 上方还包括一个 Add & Norm 层：

• Add： 表示残差连接 (Residual Connection) 用于防止网络退化
• Norm： 表示 Layer Normalization，用于对每一层的激活值进行归一

自注意力机制：Self-Attention

自注意力机制是注意力机制的变体，其减少了对外部信息的依赖，更擅长捕捉数据或特征的内部相关性。自注意力机制的关键点在于，Q、K、V是同一个东西，或者三者来源于同一个X，三者同源。

多头注意力机制：Multi-Head Attention

与其只使用单独一个注意力汇聚， 我们可以用独立学习得到的h 组（一般h=8）不同的线性投影来变换Q、K和V。

然后，这h组变换后的Q、K和V将并行地送到注意力汇聚中。 最后，将这h个注意力汇聚的输出拼接在一起， 并且通过另一个可以学习的线性投影进行变换， 以产生最终输出。 这种设计被称为多头注意力（multihead attention） 。

残差连接

每个编码器的每个子层（Self-Attention 层和 FFN 层）都有一个残差连接，再执行一个层标准化操作。

LN和BN

• LN： Layer Normalization，LN是"横"着来的，对同一个样本，不同的特征做归一化。
• BN： Batch Normalization，BN是"竖"着来的，对不同样本，同一特征做归一化。

tips: 二者提出的目的都是为了加快模型收敛，减少训练时间 在NLP任务中，一般选用的都是LN，不用BN。因为句子长短不一，每个样本的特征数很可能不同，造成很多句子无法对齐，所以不适合用BN。

维度 为了便于这些剩余连接，模型中的所有子层以及嵌入层都产生维度dmodel=512的输出（来自原文，如上图)。

前馈神经网络：FeedForward

在进行了Attention操作之后，Encoder和Decoder中的每一层都包含了一个全连接前向网络 ，对每个position的向量分别进行相同的操作，包括两个线性变换和一个ReLU激活输出：
$$s\; u\; b\; l\; a\; r\; y\; e\; r\; o\; u\; t\; p\; u\; t\; =\; L\; a\; y\; e\; r\; N\; o\; r\; m\; a\; l\; (\; x\; +\; S\; u\; b\; L\; a\; y\; e\; r\; (\; x\; )\; )\; \backslash \backslash \; sub\_laryer\_output\; =\; LayerNormal(x+SubLayer(x))\; \backslash \backslash$$sublaryeroutput=LayerNormal(x+SubLayer(x))

解码器：Decoder

Decoder结构与Encoder相似，但是存在一些区别。

• Decoder 包含两个 Multi-Head Attention 层。
  1. 第一个 Multi-Head Attention 层采用了 Masked 操作。
  2. 第二个 Multi-Head Attention 层的K, V矩阵使用 Encoder 的编码信息矩阵C进行计算，而Q使用上一个 Decoder的输出计算。
• 最后有一个 Softmax 层计算下一个翻译单词的概率。

第一个 Multi-Head Attention

掩码: Mask

Mask 表示掩码，它对某些值进行掩盖，使其在参数更新时不产生效果。Transformer 模型里面涉及两种 mask，分别是 Padding Mask 和 Sequence Mask。其中，Padding Mask 在所有的 scaled dot-product attention 里面都需要用到，而 Sequence Mask 只有在 Decoder 的 Self-Attention 里面用到。

第二个 Multi-Head Attention

其实这块与上文 Encoder 中 的 Multi-Head Attention 具体实现细节上完全相同，区别在于Encoder的多头注意力里的Q、K、V是初始化多个不同的，矩阵得到的。而Decoder的K、V是来自于Encoder的输出，Q是上层Masked Self-Attention的输出。

Encoder 中 的 Multi-Head Attention只有一个输入，把此输入经过三个linear映射成Q 、K 、V ， 而这里的输入有两个：

• 一个是Decoder的输入经过第一个大模块传过来的值。
• 一个是Encoder最终结果。是把第一个值通过一个linear映射成了Q，然后通过两个linear把第二个值映射成K、V ，其它的与上文的完全一致。这样做的好处是在 Decoder 的时候，每一位单词都可以利用到 Encoder 所有单词的信息。

Linear和softmax

Decoder最后会输出一个实数向量。那我们如何把浮点数变成一个单词？这便是线性变换层Linear层要做的工作，它之后就是Softmax层。

Linear层是一个简单的全连接神经网络，它可以把Decoder产生的向量投射到一个比它大得多的、被称作对数几率（logits）的向量里。