關(guān)于一項改進(jìn)Transformer的工作

NAACL2021中，復(fù)旦大學(xué)大學(xué)數(shù)據(jù)智能與社會計算實驗室（Fudan DISC）和微軟亞洲研究院合作進(jìn)行了一項改進(jìn)Transformer的工作，論文的題目為：Mask Attention Networks： Rethinking and Strengthen Transformer，被收錄為長文。

文章摘要

Transformer的每一層都由兩部分構(gòu)成，分別是自注意力網(wǎng)絡(luò)（SAN）和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FFN）。當(dāng)前的大部分研究會拆開這兩份部分來分別進(jìn)行增強(qiáng)。在我們的研究當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)SAN和FFN本質(zhì)上都屬于一類更廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)（MANs），并且其中的遮罩矩陣都是靜態(tài)的。我們認(rèn)為這樣的靜態(tài)遮罩方式限制了模型對于局部信息的建模的。因此，我們提出了一類新的網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)（DMAN），通過自身的學(xué)習(xí)來調(diào)整對于局部信息的建模。為了更好地融合各個子網(wǎng)絡(luò)（SAN，F(xiàn)FN，DMAN）的優(yōu)勢，我們提出了一種層疊機(jī)制來將三者融合起來。我們在機(jī)器翻譯和文本摘要任務(wù)上驗證了我們的模型的有效性。

研究背景

目前大家會從SAN或者FFN來對Transformer進(jìn)行改進(jìn)，但是這樣的方案忽略了SAN和FFN的內(nèi)在聯(lián)系。

在我們的工作當(dāng)中，我們使用Mask Attention Network作為分析框架來重新審視SAN和FFN。Mask Attention Networks使用一個遮罩矩陣來和鍵值對的權(quán)重矩陣進(jìn)行對應(yīng)位置的相乘操作來確定最終的注意力權(quán)重。在下圖中，我們分別展示了SAN和FFN的遮罩矩陣。由于對于關(guān)系建模沒有任何的限制，SAN更擅長長距離建模來從而可以更好地捕捉全局語意，而FFN因為遮罩矩陣的限制，無法獲取到其他的token的信息，因而更關(guān)注自身的信息。

盡管SAN和FFN取得了相當(dāng)好的效果，但是最近的一些研究結(jié)果表明，Transformer在捕捉局部信息的能力上有所欠缺。我們認(rèn)為這種欠缺是因為是因為注意力矩陣的計算當(dāng)中都是有靜態(tài)遮罩矩陣的參與所導(dǎo)致的。我們發(fā)現(xiàn)兩個不相關(guān)的token之間的權(quán)重可能因為中間詞的關(guān)系而錯誤地產(chǎn)生了較大的注意力權(quán)重。例如“a black dog jumps to catch the frisbee”， 盡管“catch”和“black”關(guān)系不大，但是因為二者都共同的鄰居“dog”的關(guān)系很大，進(jìn)而產(chǎn)生了錯誤了聯(lián)系，使得“catch”忽略了自己真正的鄰居。

為了強(qiáng)化Transformer在局部建模的能力，我們提出了動態(tài)遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)（DMAN）。在DMAN當(dāng)中， 在特定距離內(nèi)的單詞相比于一般的注意力機(jī)制會得到更多的注意力權(quán)重，進(jìn)而得到更多的關(guān)注。另外，為了更好地融合SAN，F(xiàn)FN和DMAN三者的能力，我們提出使用DMAN-》SAN-》FFN這樣的方式來搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

方法描述

回顧Transformer

SAN的注意力機(jī)制使用下面的公式來將鍵值對映射到新的輸出。

其中是查詢向量組成的有序矩陣，是鍵值對的組合，是的特征維度。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)transformer捕捉不同文本特征的的能力，對于一個文本特征的輸入序列， SAN會使用多頭注意力機(jī)制。

在FFN當(dāng)中，每一個

的計算都是獨立于其他的輸入的。具體來說，它由兩個全連接層組成。

定義一類新網(wǎng)絡(luò)： Mask Attention Networks

我們在SAN的注意力函數(shù)的基礎(chǔ)上定義帶遮罩的注意力函數(shù)。

其中M是一個遮罩矩陣，它既可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的。

在這個新的遮罩矩陣的基礎(chǔ)上，我們定義一類新網(wǎng)絡(luò)： Mask Attention Networks（MANs）

其中F是激活函數(shù)，M^i是第i個注意力上的遮罩矩陣。

接下來我們來說明SAN和FFN都是MANs當(dāng)中的特例。

從MANs的視角來看，對于SAN，我們令

這個時候MANs可以寫成下面的形式。這個結(jié)果告訴我們SAN是MANs當(dāng)中固定遮罩矩陣為全1的特例

對于FFN，我們令

那么得到SAN是MANs當(dāng)中固定遮罩矩陣為單位陣的特例。

SAN和FFN在局部建模上的問題

直觀上來說，因為FFN的遮罩矩陣是一個單位陣，所以FFN只能獲取自身的信息而無法獲知鄰居的信息。對于SAN，每一個token都可以獲取到句子其它的所有token的信息。我們發(fā)現(xiàn)不在鄰域當(dāng)中的單詞也有可能得到一個相當(dāng)大的注意力得分。因此，SAN可能在語義建模的過程當(dāng)中引入噪聲，進(jìn)而忽視了局部當(dāng)中的有效信號。

動態(tài)遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)

顯然地我們可以通過靜態(tài)的遮罩矩陣來使模型只考慮特定鄰域內(nèi)的單詞，從而達(dá)到更好的局部建模的效果。但是這樣的方式欠缺靈活性，考慮到鄰域的大小應(yīng)該隨著query token來變化，所以我們構(gòu)建了下面的策略來動態(tài)地調(diào)節(jié)鄰域的大小。

其中是當(dāng)前的層數(shù)，是當(dāng)前的注意力head， 和分別是兩個和的位置。都是可學(xué)習(xí)的變量。

組合Mask Attention Networks當(dāng)中的各類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我們采用下圖的方式來組合這三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

實驗

我們的實驗主要分為兩個部分，機(jī)器翻譯和文本摘要。

機(jī)器翻譯

我們在IWSLT14 De-En和WMT14 En-De上分別對我們的模型進(jìn)行了驗證。相比于Transformer，我們的模型在base和big的參數(shù)大小設(shè)定下，分別取得了1.8和2.0的BLEU的提升。

文本摘要

在文本摘要的任務(wù)上，我們分別在CNN/Daily Mail和Gigaword這兩個數(shù)據(jù)集上分別進(jìn)行了驗證。相比于Transformer，我們的模型在R-avg上分別有1.5和0.7的效果提升。

對比不同的子網(wǎng)絡(luò)堆疊方式

我們對比了一些不同的子網(wǎng)絡(luò)堆疊方式的結(jié)果。從這張表中我們可以發(fā)現(xiàn)：

C#5，C#4，C#3》C#1，C#2，這說明DMAN的參與可以提高模型的效果。

C#5，C#4》C#3，C#2，說明DMAN和SAN有各自的優(yōu)點，它們分別更擅長全局建模和局部建模，所以可以更好地合作來增強(qiáng)彼此。

C#5》C#4，說明先建模局部再全局比相反的順序要更好一些。

我們比較了兩組不同的靜態(tài)遮罩策略。

SMAN1：遮蓋距離超過b的所有單詞，，為句子長度。

SMAN2：b=4。

從結(jié)果來看，我們發(fā)現(xiàn)DMAN的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于上述兩種靜態(tài)遮罩方法，這說明給不同的單詞確實在鄰域的建模上確實存在差異。

結(jié)論

在這篇論文當(dāng)中，我們介紹了遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)（MANs）來重新審視SAN和FFN，并指出它們是MANs的兩種特殊情況。我們進(jìn)而分析了兩種網(wǎng)絡(luò)在局部建模上的不足，并提出使用動態(tài)遮罩的方法來更好地進(jìn)行局部建模?？紤]到SAN，F(xiàn)FN和DMAN不同的優(yōu)點，我們提出了一種DMAN-》SAN-》FFN的方式來進(jìn)行建模。我們提出的模型在機(jī)器翻譯和文本摘要上都比transformer取得了更好的效果。

原文標(biāo)題：遮罩注意力網(wǎng)絡(luò)：對Transformer的再思考與改進(jìn)

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