【NLP高频面题 - LLM架构篇】旋转位置编码RoPE相对正弦位置编码有哪些优势?

【NLP高频面题 - LLM架构篇】旋转位置编码RoPE相对正弦位置编码有哪些优势?

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RoPE相对正弦位置编码而言是更好的位置编码方式。一个好的位置编码应该满足以下条件:

  • 每个位置输出一个唯一的编码
  • 具备良好的外推性
  • 任何位置之间的相对距离在不同长度的句子中应该是一致的

RoPE可以更好的解决上面的三个问题。

正弦编码(Sinusoidal)

基于Sinusoidal的位置编码最初是由谷歌在论文Attention is All You Need中提出的方案,用于Transformer的位置编码。具体计算方式如下所示:

其中pos是位置,i表示维度。

  • 具有相对位置表达能力:Sinusoidal可以学习到相对位置,对于固定位置距离的k,PE(i+k)可以表示成PE(i)的线性函数。
  • 两个位置向量的内积只和相对位置 k 有关
  • Sinusoidal编码具有对称性 。,即 P E ( t + k ) P E ( t ) = P E ( t ) P E ( t − k ) PE(t+k)PE(t) = PE(t)PE(t-k) PE(t+k)PE(t)=PE(t)PE(t−k),这表明Sinusoidal编码具有对称性
  • 随着k的增加,内积的结果会直接减少,即会存在远程衰减
    • 正弦编码是否真的具备外推性?实际的Attention计算中还需要与attention的权重W相乘,即 P E t T W q T W k P E t + k PE_t^T{W}_q^{T}{W}kPE{t+k} PEtTWqTWkPEt+k ,这时候内积的结果就不能反映相对距离

正弦编码是否真的具备外推性?

似乎Sinusoidal只和相对位置有关。但是实际的Attention计算中还需要与attention的权重W相乘,即 P E t T W q T W k P E t + k PE_t^T{W}_q^{T}{W}kPE{t+k} PEtTWqTWkPEt+k ,这时候内积的结果就不能反映相对距离。正弦编码中真实的q,k向量内积和相对距离之间,没有远程衰减性,如下图所示:

首先,对于RoPE编码任何位置之间的相对距离在不同长度的句子中应该是一致的。

如果两个token在句子1中的相对距离为k,在句子2中的相对距离也是k,那么这两个句子中,两个token之间的相关性应该是一致的,也就是attention_sample1(token1, token2) = attention_sample2(token1, token2)。

可以从旋转矩阵的角度轻松理解此特性。

其次:RoPE编码中q,k向量内积只和相对位置有关

最后,RoPE位置编码具有良好的外推性。

RoPE位置编码:

可以看出,在外推(Extrapolation)时,红色点超出了预训练时的位置编码。

为了解决这个问题,位置线性内插的核心思想是通过缩放位置索引 ,使得模型能够处理比预训练时更长的序列,而不损失太多性能。

微调少量长文本,位置线性内插就能推理长文本:

另外,RoPE旋转位置编码不是作用在embedding的输入层,而是作用在与Attention的计算中,可以避免在输入中引入噪声。


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