Transformer综述

1 encoder

对于通常的seq2seq的结构，每一个encoder内部，由若干个block组成，每一个block包含一个self-attention的结构和fc层。

对于transformer：

1. 首先将每一个Block增加了residual的结构，即将输入和输出加在一起作为新的输出。
2. 然后再输出之后加入layer norm。注意到batch norm是对于不同feature的同一个dimension归一化，而这里的layer norm则是对于同一个feature不同的dimension进行归一化。
3. 对于layer norm的输出作为fc的输入，并且在fc层同样加入residual的结构。
4. 最后再输入一个layer norm层

对比transformer给出的图，其中的add&norm指的就是residual&layer norm

transformer给出的结构是最原始的，但并不一定是最好的。以下的两篇论文分别：

1. 改变了layer norm的位置
2. 将layer norm改为power norm

并取得了更好的效果，改变后的结构如下：

2 decoder

对比transformer的encoder和decoder的结构可以看出，decoder相比于encoder：

1. 将每一个block开头的self-attention替换为masked self-attention，它的输入就是decoder先前的输出
2. 在每一个block的中间新加了一个self-attention，它的输入是encoder和masked self-attention的输出，因此它是和encoder和decoder的连接，称为cross attention。

2.1 masked self-attention

decoder输入除了encoder的输出之外，还有自己先前的输出。

self-attention的输出与每一个输入相关，而masked self-attention的输出只与之前的输入有关。这样做的原因是因为，之后的输入是之前输出的结果，也就是先产生之前的输出，后面的输入才能输入，因此必须去掉它们之间的关联：

2.2 cross attention

cross attention的运作过程如下：首先，输入第一个token为begin：

输入的第二个向量为之前输出的第一个结果：

注意到encoder和decoder都有很多block，那么是否每一个block都采用encoder的最后一层的输出结果作为输入呢？答案是不一定。如下的论文中就研究了decoder不同的block采用encoder的不同层的输出结果作为输入，说明这也是一个值得研究的问题。

3. Training

讲完了encoder和decoder的结构，接下来介绍transformer是如何训练的。

Transformer的训练中，实际上就是将decoder每输出一个向量，都与标签计算cross entropy损失。但是要注意的是，decoder的输出不再是之前的输入（在test的时候采用），而是ground truth。这一技术称为teacher forcing。

一些训练的tips：

1. Copy mechanism：例如在做摘要的时候，从原文中复制一些句子。
2. Guided attention：在训练的时候增加一些限制，强迫机器按照需要的方式学习（Monotonic Attention / location aware attention等）
3. Beam search：避免贪婪算法错过的最优解
4. Scheduled Sampling：由于训练时输入的是ground truth，但是测试的时候输入的是预测的结果（可能有错误），因此在训练的时候，有时候在输入一些Noise可能会效果更好。

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