Transformer出自google，被广泛应用于NLP的各项任务中，在transformer基础上改进优化的BERT模型在2019年11项NLP任务中表现SOTA。
论文原文：https://arxiv.org/pdf/1706.03762.pdf《attention is all you need》

CNN、RNN、DNN的局限性

在处理变长的序列问题时，一般的做法是利用卷积神经网络或循环神经网络。

基于CNN和双向RNN的变长序列编码

无论卷积还是循环神经网络其实都是对变长序列的一种“局部编码”：卷积神经网络显然是基于N-gram的局部编码；而对于循环神经网络，由于梯度消失等问题也只能建立短距离依赖。

全连接模型和自注意力模型：实线表示为可学习的权重，虚线表示动态生成的权重。

• 全连接网络虽然是一种非常直接的建模远距离依赖的模型， 但是无法处理变长的输入序列。不同的输入长度，其连接权重的大小也是不同的。
• 自注意力模型（self-attention model）的权重是动态生成的，因此可以处理变长的信息序列。

Attention

人体视觉系统中的注意力机制

机器翻译中的注意力机制（连接线越黑代表注意力越强）

Attention可以理解为一种序列聚焦方法，基本思想是对序列分配注意力权重，把注意力集中在最相关的序列上。
Attention 机制实质上就是一个寻址过程，通过给定一个任务相关的查询 Query 向量 Q，通过计算与 Key 的注意力分布并附加在 Value 上，从而计算 Attention Value，这个过程实际上是 Attention 缓解神经网络复杂度的体现，不需要将所有的 N 个输入都输入到神经网络进行计算，而是选择一些与任务相关的信息输入神经网络，与 RNN 中的门控机制思想类似。

attention的计算过程

Self-attention

Q\K\V向量组

用X = [x_1, · · · , x_N ]表示N 个输入样本；通过线性变换得到为查询向量序列，键向量序列和值向量序列：

Q\K\V计算公式

所谓self-attention自注意力机制，即其注意力概率分布来自网络自身的输入的变换，而传统attention的注意力概率分布来自外部。

注意力的计算

注意力计算公式

Multi-head attention

Multi-head attention

• 多头机制赋予attention层多个“表示子空间”。
• Transformer中包含8个Q\K\V权重矩阵集合，每个集合都是随机初始化的。

通俗理解Multi-head attention

两头注意力

八头注意力

Transformer结构

Transformer模型中采用了 encoer-decoder 架构，论文中encoder层由6个encoder堆叠在一起，decoder层也一样。

Transformer结构

每一层的encoder和decoder的结构如下图所示：

encoder\decoder内部结构

encoder内部直观展示

• encoder，包含两层，一个self-attention层和一个前馈神经网络，self-attention能帮助当前节点不仅仅只关注当前的词，从而能获取到上下文的语义。
• decoder也包含encoder提到的两层网络，但是在这两层中间还有一层attention层，帮助当前节点获取到当前需要关注的重点内容。

Positional Encoding

transformer模型中缺少一种解释输入序列中单词顺序的方法，它跟序列模型还不不一样。为了处理这个问题，transformer给encoder层和decoder层的输入添加了一个额外的向量Positional Encoding，维度和embedding的维度一样，这个向量采用了一种很独特的方法来让模型学习到这个值，这个向量能决定当前词的位置，或者说在一个句子中不同的词之间的距离。这个位置向量的具体计算方法有很多种，论文中的计算方法如下：

Positional Encoding公式

其中pos是指当前词在句子中的位置，i是指向量中每个值的index，可以看出，在偶数位置，使用正弦编码，在奇数位置，使用余弦编码。最后把这个Positional Encoding与embedding的值相加，作为输入送到下一层。

Positional Encoding示意图

位置编码热度图

Residual block残差模块与Layer normalization层归一化

在每个编码器中的每个子层（自注意力、前馈网络）的周围都有一个残差连接，并且都跟随着一个“层-归一化”步骤。

残差模块

Normalization有很多种，但是它们都有一个共同的目的，那就是把输入转化成均值为0方差为1的数据。我们在把数据送入激活函数之前进行normalization（归一化），因为我们不希望输入数据落在激活函数的饱和区。

• Batch Normalization
  BN的主要思想就是：在每一层的每一批数据上进行归一化。我们可能会对输入数据进行归一化，但是经过该网络层的作用后，我们的数据已经不再是归一化的了。随着这种情况的发展，数据的偏差越来越大，我的反向传播需要考虑到这些大的偏差，这就迫使我们只能使用较小的学习率来防止梯度消失或者梯度爆炸。BN的具体做法就是对每一小批数据，在批这个方向上做归一化。

• Layer normalization
  它也是归一化数据的一种方式，不过LN 是在每一个样本上计算均值和方差，而不是BN那种在批方向计算均值和方差！公式如下：

  
  
  Layer normalization公式
  
  
  Batch Normalization VS. Layer normalization

Masked mutil-head attetion

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。

• Padding mask
  什么是 padding mask 呢？因为每个批次输入序列长度是不一样的也就是说，我们要对输入序列进行对齐。具体来说，就是给在较短的序列后面填充 0。但是如果输入的序列太长，则是截取左边的内容，把多余的直接舍弃。因为这些填充的位置，其实是没什么意义的，所以我们的attention机制不应该把注意力放在这些位置上，所以我们需要进行一些处理。
  具体的做法是，把这些位置的值加上一个非常大的负数(负无穷)，这样的话，经过 softmax，这些位置的概率就会接近0！
  而我们的 padding mask 实际上是一个张量，每个值都是一个Boolean，值为 false 的地方就是我们要进行处理的地方。
• Sequence mask
  文章前面也提到，sequence mask 是为了使得 decoder 不能看见未来的信息。也就是对于一个序列，在 time_step 为 t 的时刻，我们的解码输出应该只能依赖于 t 时刻之前的输出，而不能依赖 t 之后的输出。因此我们需要想一个办法，把 t 之后的信息给隐藏起来。
  那么具体怎么做呢？也很简单：产生一个上三角矩阵，上三角的值全为0。把这个矩阵作用在每一个序列上，就可以达到我们的目的。
  对于 decoder 的 self-attention，里面使用到的 scaled dot-product attention，同时需要padding mask 和 sequence mask 作为 attn_mask，具体实现就是两个mask相加作为attn_mask。
  其他情况，attn_mask 一律等于 padding mask。

Q&A

• Transformer为什么需要进行Multi-head Attention

原论文中说到进行Multi-head Attention的原因是将模型分为多个头，形成多个子空间，可以让模型去关注不同方面的信息，最后再将各个方面的信息综合起来。其实直观上也可以想到，如果自己设计这样的一个模型，必然也不会只做一次attention，多次attention综合的结果至少能够起到增强模型的作用，也可以类比CNN中同时使用多个卷积核的作用，直观上讲，多头的注意力有助于网络捕捉到更丰富的特征/信息。

• Transformer相比于RNN/LSTM，有什么优势？为什么？

1. RNN系列的模型，并行计算能力很差。RNN并行计算的问题就出在这里，因为 T 时刻的计算依赖 T-1 时刻的隐层计算结果，而 T-1 时刻的计算依赖 T-2 时刻的隐层计算结果，如此下去就形成了所谓的序列依赖关系。

2. Transformer的特征抽取能力比RNN系列的模型要好。具体实验对比可以参考：放弃幻想，全面拥抱Transformer：自然语言处理三大特征抽取器（CNN/RNN/TF）比较。但是值得注意的是，并不是说Transformer就能够完全替代RNN系列的模型了，任何模型都有其适用范围，同样的，RNN系列模型在很多任务上还是首选，熟悉各种模型的内部原理，知其然且知其所以然，才能遇到新任务时，快速分析这时候该用什么样的模型，该怎么做好。

• 为什么说Transformer可以代替seq2seq？

seq2seq缺点：这里用代替这个词略显不妥当，seq2seq虽已老，但始终还是有其用武之地，seq2seq最大的问题在于将Encoder端的所有信息压缩到一个固定长度的向量中，并将其作为Decoder端首个隐藏状态的输入，来预测Decoder端第一个单词(token)的隐藏状态。在输入序列比较长的时候，这样做显然会损失Encoder端的很多信息，而且这样一股脑的把该固定向量送入Decoder端，Decoder端不能够关注到其想要关注的信息。

Transformer优点：transformer不但对seq2seq模型这两点缺点有了实质性的改进(多头交互式attention模块)，而且还引入了self-attention模块，让源序列和目标序列首先“自关联”起来，这样的话，源序列和目标序列自身的embedding表示所蕴含的信息更加丰富，而且后续的FFN层也增强了模型的表达能力，并且Transformer并行计算的能力是远远超过seq2seq系列的模型，因此我认为这是transformer优于seq2seq模型的地方