DeepSeek技术解读-从MHA到MLA的完整解读(适合有点基础的同学)

一、传统的多头注意力机制(MHA,Multi-Head Attention):

在标准的Transformer中,多头注意力机制(MHA)通过并行计算多个注意力头来捕捉输入序列中的不同特征。每个注意力头都有自己的查询(Query, Q)、键(Key, K)和值(Value, V)矩阵,他们各自的主要作用如下:

  • 查询矩阵 Q:查询矩阵是你想要寻找某个信息的"问题"。在Transformer中,查询矩阵是输入的一个投影,表示当前token对其他token的"需求"。它帮助你确定自己在序列中的位置 和需要关注什么内容。
  • 键矩阵 K:键矩阵是每个token提供的"信息"或"标识符"。每个token都有一个与之关联的键,用于与查询进行对比,以确定它与查询的相关性。你可以把键想象成词语的"标签"。
  • 值矩阵 V:值是实际的信息,提供了词向量的内容。根据Q与K的匹配程度,V最终用来生成输出向量。

假定:d 是隐向量维度, n h n_h nh是注意力头的数量, d h d_h dh是每个注意力头的维度, h t h_t ht是attention层地t个token的输入隐向量。

  1. 标准的MHA首先使用三个权重矩阵(训练参数) W q , W k , W v ∈ R d h ∗ n h ∗ d W_q,W_k,W_v \in{\mathbb{R}^{d_h*n_h*d}} Wq,Wk,Wv∈Rdh∗nh∗d计算得到 q t , k t , v t q_t,k_t,v_t qt,kt,vt向量。然后 q t , k t , v t q_t,k_t,v_t qt,kt,vt向量拆分成 n h n_h nh份(每个注意力头分一份):

q 𝑡 , 1 ; q 𝑡 , 2 ; . . . ; q 𝑡 , 𝑛 h = q 𝑡 k 𝑡 , 1 ; k 𝑡 , 2 ; . . . ; k 𝑡 , 𝑛 h = k 𝑡 v 𝑡 , 1 ; v 𝑡 , 2 ; . . . ; v 𝑡 , 𝑛 h = v 𝑡 q_{𝑡,1};q_{𝑡,2}; ...; q_{𝑡,𝑛_ℎ}= q_𝑡 \\ k_{𝑡,1};k_{𝑡,2}; ...; k_{𝑡,𝑛_ℎ}= k_𝑡 \\ v_{𝑡,1};v_{𝑡,2}; ...; v_{𝑡,𝑛_ℎ}= v_𝑡 qt,1;qt,2;...;qt,nh=qtkt,1;kt,2;...;kt,nh=ktvt,1;vt,2;...;vt,nh=vt

  1. 使用 q t , k t q_t,k_t qt,kt计算注意力得分,并使用注意力权重对 v t v_t vt进行加权求和,得到每个注意力头的结果:

o 𝑡 , 𝑖 = ∑ j = 1 t ︁ S o f t m a x 𝑗 ( q 𝑡 , 𝑖 𝑇 k 𝑗 , 𝑖 d h ) v j , i o_{𝑡,𝑖} =\sum^{t}{j=1}{︁Softmax_𝑗 (\frac{q^𝑇 {𝑡,𝑖} k{𝑗,𝑖}}{\sqrt{d_h}})} v{j,i} ot,i=j=1∑t︁Softmaxj(dh qt,iTkj,i)vj,i

  1. 最后把所有注意力头结果向量拼接起来,通过一层限行映射回原始维度:

u 𝑡 = 𝑊 𝑂 o 𝑡 , 1 ; o 𝑡 , 2 ; . . . ; o 𝑡 , 𝑛 h u_𝑡 = 𝑊^𝑂o_{𝑡,1}; o_{𝑡,2}; ...; o_{𝑡,𝑛_ℎ} ut=WOot,1;ot,2;...;ot,nh


二、多头潜在注意力机制(MLA,Multi-Head Latent Attention) :

MLA的核心是对value和key进行低秩联合压缩 来减少推理时的键值缓存(KV cache),MLA设计中所有的K和V都需要缓存,MLA只需要缓存一个压缩的向量,并且此向量纬度远远小于 d h n h d_hn_h dhnh,只需要在推理计算时再向上投影生成所有的K和V。具体计算如下:

2.1 对value和key进行低秩联合压缩:

具体的:

  • 生成压缩潜在隐向量(latent vector),其中 𝑊 𝐷 𝐾 𝑉 ∈ R 𝑑 𝑐 × 𝑑 𝑊^{𝐷𝐾𝑉} ∈ \mathbb{R}^{𝑑_𝑐×𝑑} WDKV∈Rdc×d是下投影矩阵 c 𝑡 𝐾 𝑉 = 𝑊 𝐷 𝐾 𝑉 h 𝑡 c^{𝐾𝑉}_𝑡 = 𝑊^{𝐷𝐾𝑉}h_𝑡 ctKV=WDKVht。

  • 通过上投影矩阵 𝑊 U K , 𝑊 U V ∈ R d h n h ∗ 𝑑 𝑐 𝑊^{UK}, 𝑊^{UV} ∈ \mathbb{R}^{d_hn_h*𝑑_𝑐} WUK,WUV∈Rdhnh∗dc将潜在隐向量分别重建键K矩阵和值V矩阵,注意可以认为是映射成隐向量维度 h ,而不是每个注意力头的维度 : k t 𝐶 = 𝑊 U K c 𝑡 𝐾 𝑉 k^𝐶_t = 𝑊^{UK}c^{𝐾𝑉}_𝑡 ktC=WUKctKV, v t 𝐶 = 𝑊 U V c 𝑡 𝐾 𝑉 v^𝐶_t = 𝑊^{UV}c^{𝐾𝑉}_𝑡 vtC=WUVctKV

  • 应用旋转位置编码(RoPE),引入位置信息。因为传统的MHA中,每个token都对应着自己的K向量,天然包含了位置信息,现在通过一个共用的潜在隐向量映射得到的K是不包含位置信息的。 k t R = R o P E ( W K R h t ) k^R_t = RoPE(W^{KR}h_t) ktR=RoPE(WKRht)。其中, 𝑊 K R ∈ R 𝑑 h R ∗ d 𝑊^{KR} ∈ \mathbb{R}^{𝑑^R_h*d} WKR∈RdhR∗d是用于生成解耦键的矩阵, d h R d^R_h dhR是解耦键的维度。

  • 将位置矩阵 k t R k^R_t ktR和上投影得到的矩阵 k t C k^C_t ktC拼接得到最终的地t个位置token的K矩阵: k t = k t V ; k t R k_t = k\^V_t;k\^R_t kt=ktV;ktR, v t = v t C v_t=v^C_t vt=vtC。

    因此在推理过程中,为了加速推理,需要将K、V缓存。当采用MLA:只有 k t K V k^{KV}_t ktKV和 k t R k^R_t ktR需要缓存,只需要缓存 ( d c + d h R ) ∗ l (d_c + d^R_h) * l (dc+dhR)∗l个参数。如果是MLA,所有keys和values向量都需要缓存,则需要缓存 2 n h d h l 2n_h d_h l 2nhdhl 个参数。

2.2 处理query向量

同样的,为了降低训练过程中的内存激活量,对Q也进行类似的处理:

2.3 计算attention输出

最后使用query ( q t , i q_{t,i} qt,i),keys ( k j , i k_{j,i} kj,i)和values ( v j , i C v^C_{j,i} vj,iC)计算attention结果,这里 q t , i q_{t,i} qt,i和 k j , i k_{j,i} kj,i都拼接了RoPE位置向量,所以纬度是一样的 ,其中 𝑊 O ∈ R 𝑑 ∗ d h n h 𝑊^O ∈ \mathbb{R}^{𝑑*d_hn_h} WO∈Rd∗dhnh表示输出映射层矩阵 , 最终得到纬度为d的输出隐向量:

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