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自從最新的大型語言模型（LLaM）的發(fā)布，例如 OpenAI 的 GPT 系列、開源模型 Bloom 以及谷歌發(fā)布的 LaMDA 等，Transformer 模型已經(jīng)展現(xiàn)出了其巨大的潛力，并成為深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的前沿架構(gòu)楷模。

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什么是 Transformer 模型 ？

    在過去幾年中，Transformer 模型已經(jīng)成為高級深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的熱門話題。自從其在 2017 年被引入以來，Transformer 深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)已經(jīng)在幾乎所有可能的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和演進(jìn)。該模型不僅在自然語言處理任務(wù)中表現(xiàn)出色，還對于其他領(lǐng)域，尤其是時(shí)間序列預(yù)測方面，也具有巨大的幫助和潛力。

    那么，什么是 Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型？

    Transformer 模型是一種深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，自 2017 年推出以來，徹底改變了自然語言處理 (NLP) 領(lǐng)域。該模型由 Vaswani 等人提出，并已成為 NLP 界最具影響力的模型之一。

    通常而言，傳統(tǒng)的順序模型（例如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (RNN)）在捕獲遠(yuǎn)程依賴性和實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算方面存在局限性。為了解決這些問題，Transformer 模型引入了自注意力機(jī)制，通過廣泛使用該機(jī)制，模型能夠在生成輸出時(shí)權(quán)衡輸入序列中不同位置的重要性。

    Transformer 模型通過自注意力機(jī)制和并行計(jì)算的優(yōu)勢，能夠更好地處理長距離依賴關(guān)系，提高了模型的訓(xùn)練和推理效率。它在機(jī)器翻譯、文本摘要、問答系統(tǒng)等多個(gè) NLP 任務(wù)中取得了顯著的性能提升。

    除此之外，Transformer 模型的突破性表現(xiàn)使得它成為現(xiàn)代 NLP 研究和應(yīng)用中的重要組成部分。它能夠捕捉復(fù)雜的語義關(guān)系和上下文信息，極大地推動(dòng)了自然語言處理的發(fā)展。

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Transformer 模型歷史發(fā)展

    Transformer 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的歷史可以追溯到20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時(shí) Jürgen Schmidhuber 提出了第一個(gè) Transformer 模型的概念。這個(gè)模型被稱為"快速權(quán)重控制器"，它采用了自注意力機(jī)制來學(xué)習(xí)句子中單詞之間的關(guān)系。然而，盡管這個(gè)早期的 Transformer 模型在概念上是先進(jìn)的，但由于其效率較低，它并未得到廣泛的應(yīng)用。

    隨著時(shí)間的推移和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，Transformer 在2017年的一篇開創(chuàng)性論文中被正式引入，并取得了巨大的成功。通過引入自注意力機(jī)制和位置編碼層，有效地捕捉輸入序列中的長距離依賴關(guān)系，并且在處理長序列時(shí)表現(xiàn)出色。此外，Transformer 模型的并行化計(jì)算能力也使得訓(xùn)練速度更快，推動(dòng)了深度學(xué)習(xí)在自然語言處理領(lǐng)域的重大突破，如機(jī)器翻譯任務(wù)中的BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）模型等。

    因此，盡管早期的"快速權(quán)重控制器"并未受到廣泛應(yīng)用，但通過 Vaswani 等人的論文，Transformer 模型得到了重新定義和改進(jìn)，成為現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)的前沿技術(shù)之一，并在自然語言處理等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。

    Transformer 之所以如此成功，是因?yàn)樗軌驅(qū)W習(xí)句子中單詞之間的長距離依賴關(guān)系，這對于許多自然語言處理（NLP）任務(wù)至關(guān)重要，因?yàn)樗试S模型理解單詞在句子中的上下文。Transformer 利用自注意力機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該機(jī)制使得模型在解碼輸出標(biāo)記時(shí)能夠聚焦于句子中最相關(guān)的單詞。

    Transformer 對 NLP 領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于許多 NLP 任務(wù)，并且不斷進(jìn)行改進(jìn)。未來，Transformer 很可能被用于解決更廣泛的 NLP 任務(wù)，并且它們將變得更加高效和強(qiáng)大。

    有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Transformer 歷史上的一些關(guān)鍵發(fā)展事件，我們可參考如下所示：

    1、1990年：Jürgen Schmidhuber 提出了第一個(gè) Transformer 模型，即"快速權(quán)重控制器"。

    2、2017年：Vaswani 等人發(fā)表了論文《Attention is All You Need》，介紹了 Transformer 模型的核心思想。

    3、2018年：Transformer 模型在各種 NLP 任務(wù)中取得了最先進(jìn)的結(jié)果，包括機(jī)器翻譯、文本摘要和問答等。

    4、2019年：Transformer 被用于創(chuàng)建大型語言模型（LLM），例如 BERT 和 GPT-2，這些模型在各種 NLP 任務(wù)中取得了重要突破。

    5、2020年：Transformer 繼續(xù)被用于創(chuàng)建更強(qiáng)大的模型，例如 GPT-3，它在自然語言生成和理解方面取得了驚人的成果。

    總的來說，Transformer 模型的引入對于 NLP 領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響。它的能力在于學(xué)習(xí)長距離依賴關(guān)系并理解上下文，使得它成為眾多 NLP 任務(wù)的首選方法，并為未來的發(fā)展提供了廣闊的可能性。

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Transformer 模型通用架構(gòu)設(shè)計(jì)

    Transformer 架構(gòu)是從 RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的編碼器-解碼器架構(gòu)中汲取靈感而來，其引入了注意力機(jī)制。它被廣泛應(yīng)用于序列到序列（seq2seq）任務(wù)，并且相比于 RNN， Transformer 摒棄了順序處理的方式。

    不同于 RNN，Transformer 以并行化的方式處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的并行計(jì)算和更快速的訓(xùn)練。這得益于 Transformer 架構(gòu)中的自注意力機(jī)制，它使得模型能夠同時(shí)考慮輸入序列中的所有位置，而無需按順序逐步處理。自注意力機(jī)制允許模型根據(jù)輸入序列中的不同位置之間的關(guān)系，對每個(gè)位置進(jìn)行加權(quán)處理，從而捕捉全局上下文信息。

class EncoderDecoder(nn.Module):
    """
    A standard Encoder-Decoder architecture. Base for this and many 
    other models.
    """
    def __init__(self, encoder, decoder, src_embed, tgt_embed, generator):
        super(EncoderDecoder, self).__init__()
        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder
        self.src_embed = src_embed
        self.tgt_embed = tgt_embed
        self.generator = generator
        
    def forward(self, src, tgt, src_mask, tgt_mask):
        "Take in and process masked src and target sequences."
        return self.decode(self.encode(src, src_mask), src_mask,
                            tgt, tgt_mask)
    
    def encode(self, src, src_mask):
        return self.encoder(self.src_embed(src), src_mask)
    
    def decode(self, memory, src_mask, tgt, tgt_mask):
        return self.decoder(self.tgt_embed(tgt), memory, src_mask, tgt_mask)

class Generator(nn.Module):
    "Define standard linear + softmax generation step."
    def __init__(self, d_model, vocab):
        super(Generator, self).__init__()
        self.proj = nn.Linear(d_model, vocab)
    def forward(self, x):
        return F.log_softmax(self.proj(x), dim=-1)

    針對 Transformer 的模型通用架構(gòu)，我們可參考如下所示：

?

    基于如上的 Transformer 深度學(xué)習(xí)模型的整體架構(gòu)參考模型圖，我們可以看到：它由兩個(gè)主要組件組成：

    1、編碼器堆棧

    這是由 Nx 個(gè)相同的編碼器層組成的堆棧（在原始論文中，Nx=6）。每個(gè)編碼器層都由兩個(gè)子層組成：多頭自注意力機(jī)制和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。多頭自注意力機(jī)制用于對輸入序列中的不同位置之間的關(guān)系進(jìn)行建模，而前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則用于對每個(gè)位置進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換。編碼器堆棧的作用是將輸入序列轉(zhuǎn)換為一系列高級特征表示。

    Transformer 編碼器的整體架構(gòu)。我們在 Transformer 編碼器中使用絕對位置嵌入，具體可參考如下：

    2、解碼器堆棧

    這也是由 Nx 個(gè)相同的解碼器層組成的堆棧（在原始論文中，Nx=6）。每個(gè)解碼器層除了包含編碼器層的兩個(gè)子層外，還包含一個(gè)額外的多頭自注意力機(jī)制子層。這個(gè)額外的自注意力機(jī)制用于對編碼器堆棧的輸出進(jìn)行關(guān)注，并幫助解碼器對輸入序列中的信息進(jìn)行解碼和生成輸出序列。

    在編碼器和解碼器堆棧之間，還有一個(gè)位置編碼層。這個(gè)位置編碼層的作用是利用序列的順序信息，為輸入序列中的每個(gè)位置提供一個(gè)固定的編碼表示。這樣，模型可以在沒有遞歸或卷積操作的情況下，利用位置編碼層來處理序列的順序信息。

    Transformer 解碼器的整體架構(gòu)，具體可參考如下所示：

    在實(shí)際的場景中，兩者的互動(dòng)關(guān)系如下：

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什么是 Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？

    眾所周知，Transformer 在處理文本序列、基因組序列、聲音和時(shí)間序列數(shù)據(jù)等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。其中，自然語言處理是 Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最常見的應(yīng)用領(lǐng)域。

    當(dāng)給定一個(gè)向量序列時(shí)，Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對這些向量進(jìn)行編碼，并將其解碼回原始形式。而 Transformer 的注意力機(jī)制則是其不可或缺的核心組成部分。注意力機(jī)制表明了在輸入序列中，對于給定標(biāo)記的編碼，其周圍其他標(biāo)記的上下文信息的重要性。

    打個(gè)比方，在機(jī)器翻譯模型中，注意力機(jī)制使得 Transformer 能夠根據(jù)所有相關(guān)單詞的上下文，將英語中的"it"正確翻譯為法語或西班牙語中的性別對應(yīng)的詞匯。 Transformers 能夠利用注意力機(jī)制來確定如何翻譯當(dāng)前單詞，同時(shí)考慮其周圍單詞的影響。

    然而，需要注意的是，Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代了早期的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、長短期記憶（LSTM）和門控循環(huán)單元（GRU）等模型，成為了更為先進(jìn)和有效的選擇。

    通常而言，Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受輸入句子并將其編碼為兩個(gè)不同的序列：

    1、詞向量嵌入序列

    詞向量嵌入是文本的數(shù)字表示形式。在這種情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能處理轉(zhuǎn)換為嵌入表示的單詞。字典中的單詞在嵌入表示中表示為向量。

    2、位置編碼器序列

    位置編碼器將原始文本中單詞的位置表示為向量。Transformer 將詞向量嵌入和位置編碼結(jié)合起來。然后，它將組合結(jié)果發(fā)送到各個(gè)編碼器，然后是解碼器。

    與 RNN 和 LSTM 按順序提供輸入不同，Transformer 同時(shí)提供輸入。每個(gè)編碼器將其輸入轉(zhuǎn)換為另一個(gè)向量序列，稱為編碼。

    解碼器以相反的順序工作。它將編碼轉(zhuǎn)換回概率，并根據(jù)概率生成輸出單詞。通過使用 softmax 函數(shù)，Transformer 可以根據(jù)輸出概率生成句子。

    每個(gè)解碼器和編碼器中都有一個(gè)稱為注意力機(jī)制的組件。它允許一個(gè)輸入單詞使用其他單詞的相關(guān)信息進(jìn)行處理，同時(shí)屏蔽不包含相關(guān)信息的單詞。

    為了充分利用 GPU 提供的并行計(jì)算能力，Transformer 使用多頭注意力機(jī)制進(jìn)行并行實(shí)現(xiàn)。多頭注意力機(jī)制允許同時(shí)處理多個(gè)注意力機(jī)制，從而提高計(jì)算效率。

    相比于 LSTM 和 RNN，Transformer 深度學(xué)習(xí)模型的優(yōu)勢之一是能夠同時(shí)處理多個(gè)單詞。這得益于 Transformer 的并行計(jì)算能力，使得它能夠更高效地處理序列數(shù)據(jù)。

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常見的 Transformer 模型

    截止目前，Transformer 是構(gòu)建世界上大多數(shù)最先進(jìn)模型的主要架構(gòu)之一。它在各個(gè)領(lǐng)域取得了巨大成功，包括但不限于以下任務(wù)：語音識(shí)別到文本轉(zhuǎn)換、機(jī)器翻譯、文本生成、釋義、問答和情感分析。這些任務(wù)中涌現(xiàn)出了一些最優(yōu)秀和最著名的模型。

基于 Transformer 的模型體系圖

    1、BERT（雙向編碼器表示的 Transformer ）

   作為一種由 Google 設(shè)計(jì)的技術(shù)，針對自然語言處理而開發(fā)，基于預(yù)訓(xùn)練的 Transformer 模型，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于各種 NLP 任務(wù)中。

    在此項(xiàng)技術(shù)中，雙向編碼器表示轉(zhuǎn)化為了自然語言處理的重要里程碑。通過預(yù)訓(xùn)練的 Transformer 模型，雙向編碼器表示（BERT）在自然語言理解任務(wù)中取得了顯著的突破。BERT 的意義如此重大，以至于在 2020 年，幾乎每個(gè)英語查詢在 Google 搜索引擎中都采用了 BERT 技術(shù)。

    BERT 的核心思想是通過在大規(guī)模無標(biāo)簽的文本數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，使模型學(xué)習(xí)到豐富的語言表示。BERT 模型具備雙向性，能夠同時(shí)考慮一個(gè)詞在上下文中的左側(cè)和右側(cè)信息，從而更好地捕捉詞語的語義和語境。

    BERT 的成功標(biāo)志著 Transformer 架構(gòu)在 NLP 領(lǐng)域的重要地位，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了巨大的影響。它為自然語言處理領(lǐng)域帶來了重大的進(jìn)步，并為搜索引擎等應(yīng)用提供了更準(zhǔn)確、更智能的語義理解。

    2、GPT-2 / GPT-3（生成預(yù)訓(xùn)練語言模型）

    生成式預(yù)訓(xùn)練 Transformer 2和3分別代表了最先進(jìn)的自然語言處理模型。其中，GPT（Generative Pre-trained Transformer）是一種開源的 AI 模型，專注于處理自然語言處理（NLP）相關(guān)任務(wù)，如機(jī)器翻譯、問答、文本摘要等。

    上述兩個(gè)模型的最顯著區(qū)別在于“規(guī)?！焙汀肮δ堋薄＞唧w而言，GPT-3 是最新的模型，相比于 GPT-2，其引入了許多新的功能和改進(jìn)。除此之外，GPT-3 的模型容量達(dá)到了驚人的 1750 億個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)參數(shù)，而 GPT-2 只有 15 億個(gè)參數(shù)。

    具備如此巨大的參數(shù)容量，GPT-3 在自然語言處理任務(wù)中展現(xiàn)出了令人驚嘆的性能。它具備更強(qiáng)大的語言理解和生成能力，能夠更準(zhǔn)確地理解和生成自然語言文本。此外，GPT-3 在生成文本方面尤為出色，能夠生成連貫、富有邏輯的文章、對話和故事。

    GPT-3 的性能提升得益于其龐大的參數(shù)規(guī)模和更先進(jìn)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。它通過在大規(guī)模文本數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，使得模型能夠?qū)W習(xí)到更深入、更全面的語言知識(shí)，從而使得 GPT-3 能夠成為目前最強(qiáng)大、最先進(jìn)的生成式預(yù)訓(xùn)練 Transformer 模型之一。

    當(dāng)然，除了上面的 2 個(gè)核心模型外，T5、BART 和 XLNet 也是 Transformer（Vaswani 等人，2017）家族的成員。這些模型利用 Transformer 的編碼器、解碼器或兩者來進(jìn)行語言理解或文本生成。由于篇幅原因，暫不在本篇博文中贅述。

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Transformer 模型并不是完美的

    與基于 RNN 的 seq2seq 模型相比，盡管 Transformer 模型在自然語言處理領(lǐng)域取得了巨大的成功，然而，其本身也存在一些局限性，主要包括以下幾個(gè)方面：

    1、高計(jì)算資源需求

    Transformer 模型通常需要大量的計(jì)算資源進(jìn)行訓(xùn)練和推理。由于模型參數(shù)眾多且復(fù)雜，需要顯著的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源來支持其運(yùn)行，從而使得在資源受限的環(huán)境下應(yīng)用 Transformer 模型變得相對困難。

    2、長文本處理困難

    在某些特定的場景下，由于 Transformer 模型中自注意力機(jī)制的特性，其對于長文本的處理存在一定的困難。隨著文本長度的增加，模型的計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)需求也會(huì)顯著增加。因此，對于超長文本的處理，Transformer 模型可能會(huì)面臨性能下降或無法處理的問題。

    3、缺乏實(shí)際推理機(jī)制    

    在實(shí)際的業(yè)務(wù)場景中，Transformer 模型通常是通過在大規(guī)模數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后在特定任務(wù)上進(jìn)行微調(diào)來實(shí)現(xiàn)高性能，從而使得模型在實(shí)際推理過程中對于新領(lǐng)域或特定任務(wù)的適應(yīng)性有限。因此，對于新領(lǐng)域或特定任務(wù)，我們往往需要進(jìn)行額外的訓(xùn)練或調(diào)整，以提高模型的性能。

    4、對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的依賴性

    Transformer 模型在預(yù)訓(xùn)練階段需要大量的無標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，這使得對于資源受限或特定領(lǐng)域數(shù)據(jù)稀缺的情況下應(yīng)用 Transformer 模型變得困難。此外，模型對于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和多樣性也有一定的依賴性，不同質(zhì)量和領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可能會(huì)對模型的性能產(chǎn)生影響。

    5、缺乏常識(shí)推理和推理能力

    盡管 Transformer 模型在語言生成和理解任務(wù)上取得了顯著進(jìn)展，但其在常識(shí)推理和推理能力方面仍存在一定的局限性。模型在處理復(fù)雜推理、邏輯推斷和抽象推理等任務(wù)時(shí)可能表現(xiàn)不佳，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

    盡管存在這些局限性，Transformer 模型仍然是當(dāng)前最成功和最先進(jìn)的自然語言處理模型之一，為許多 NLP 任務(wù)提供了強(qiáng)大的解決方案。未來的研究和發(fā)展努力將有助于克服這些局限性，并推進(jìn)自然語言處理領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

Reference ：

[1] https://developers.google.com/machine-learning

[2] https://www.turing.com/kb/brief-introduction-to-transformers-and-their-power

閱讀原文：https://cloud.tencent.com/developer/article/2332194