原文
Transformer
基本信息
标题：Attention Is All You Need
时间：2017
论文领域：Computer Science - Computation and Language
论文链接：https://papers.nips.cc/paper/2017/file/3f5ee243547dee91fbd053c1c4a845aa-Paper.pdf
概述
自从Attention机制在提出之后，加入Attention的Seq2Seq模型在各个任务上都有了提升，所以现在的Seq2Seq模型指的都是结合RNN和Attention的模型。传统的基于RNN的Seq2Seq模型难以处理长序列的句子，无法实现并行，并且面临对齐的问题。
所以之后这类模型的发展大多数从三个方面入手：
- Input的方向性从单向到多向；
- 深度从单层到多层；
- 类型从RNN到LSTM GRU。
但是依旧收到一些潜在问题的制约，神经网络需要能够将源语句的所有必要信息压缩成固定长度的向量。这可能使得神经网络难以应付长时间的句子，特别是那些比训练语料库中的句子更长的句子；每个时间步的输出需要依赖于前面时间步的输出，这使得模型没有办法并行，效率低；仍然面临对齐问题。
再然后CNN由计算机视觉也被引入到Deep NLP中，CNN不能直接用于处理变长的序列样本但可以实现并行计算。完全基于CNN的Seq2Seq模型虽然可以并行实现，但非常占内存，很多的trick，大数据量上参数调整并不容易。
本篇文章创新点在于抛弃了之前传统的Encoder-Decoder模型必须结合CNN或者RNN的固有模式，只用Attention机制。文章的主要目的在于减少计算量和提高并行效率的同时不损害最终的实验结果。
Motivation
- 靠attention机制，不使用rnn和cnn，并行度高
- 通过attention，抓长距离依赖关系比rnn强
创新点
- 通过self-attention，自己和自己做attention，使得每个词都有全局的语义信息（长依赖）
- 由于 Self-Attention 是每个词和所有词都要计算 Attention，所以不管他们中间有多长距离，最大的路径长度也都只是1。可以捕获长距离依赖关系
- 提出multi-head attention，可以看成attention的ensemble版本，不同head学习不同的子空间语义。
详读
标题+作者
Transformer 开创了继 MLP 、CNN和 RN 之后的第四大类模型。200页综述（https://arxiv.org/pdf/2108.07258.pdf）建议将Transformer作为基础模型。
标题：XXX is all you need. 头条标题。Attention is all you need. 英文语法正确，集中注意力。
作者：8个共同一作 *，排序随机、贡献相等，推荐在论文中阐述作者的具体贡献。
摘要
sequence transduction: 序列转录，序列到序列的生成。input一个序列，output一个序列。e.g. 机器翻译：输入一句中文，输出一句英文。
第1句：主流的序列转录模型
包括一个 encoder 和 一个 decoder的 RNN 或者 CNN 架构。
第2句：表现好的序列转录模型：用了attention
表现好的sequence transduction模型在 encoder 和 docoder 之间使用了attention。
第3句：本文提出基于attention的Transformer
Transformer的贡献：简单 simple (褒义词)，跟之前的（表现好的）循环 or 卷积架构不一样。
第4句：实验总结 - 并行化、更少时间训练
第5-6句：实验BLEU 提分介绍
2 个机器翻译任务的实验结果
- 英 -> 德：提高 2 BLEU
- 英 -> 法：SOTA，41.8 BLEU，只需8GPUs的3.5天的训练
第7句：能很好的泛化到其他任务
本文是从机器翻译的角度写的，后续图片、视频transformer出圈了。
结论
第1句：介绍了Transformer模型，第一个仅仅使用注意力、做序列转录的模型，把之前在 encoder - decoder 的结构换成了 multi-headed self-attention。
第2句：机器翻译任务
SOTA，比其他结构训练快
第3句：纯注意力的模型其他任务的应用
图片、音频、视频；使生成不那么时序化 less sequential
代码：本文在结论部分，目前推荐放在摘要最后，方便了解论文详细内容和复现。
导言
是摘要（1-3句）的扩充。
sequence model and transduction问题：language modeling, machine translation。2017年常用方法是 RNN, LSTM, GRU。语言模型、编码器-解码器架构
RNN 特点（缺点）：从左往右一步一步计算，对第 t 个状态 ht，由 ht-1（历史信息）和 当前词 t 计算。
- 难以并行。e.g. 100个词要算100步
- 过早的历史信息可能被丢掉。时序信息是一步一步往后传递的，e.g. 时序长的时候
- 一个大的 ht 存历史信息。每一个 计算步都需要存储，内存开销大
最近的工作通过 fatorization 分解 tricks 和 conditional computation 并行化来提升计算效率，但sequential computation的问题本质依然存在。
attention 在 RNN 上的应用: attention用在怎么把 encoder 的信息有效的传给 decoder，允许建模 input or output sequence 与距离无关的 dependencies
本文 Transformer 网络不再使用循环结构、纯attention、并行度高、较短时间达到很好的效果(8 P100 GPU 12 hours)。
导言较短，8页内容尽可能涵盖提出的新内容。
相关工作
3个联系：CNN（局部像素 -> 全部像素；多通道 -> multi-head），Self-attention 他人提出和应用，Memory network 使用 recurrent attention mechanism 而不是 sequence-aligned recurrence.
1个区别：Transformer 仅依赖 self-attention 计算输入输出的表征，没有使用 sequence-aligned RNNs or convolution.
CNN：
(cons) CNN 替换 RNN 来减少时序的计算，但 CNN 对较长的序列难以建模。因为卷积计算的时候看一个比较小的窗口，i.e., 3 * 3 窗口，如果 2 个像素隔得比较远，需要用很多 3 * 3 的卷积层、一层一层的叠加上去，才能把隔得很远的 2个像素联系起来。
Transformer 的 attention mechanism 每一次看到所有的像素，一层能够看到整个序列。
(pros) 多个输出通道，每个通道可以识别不同的模式。
Transformer 的 multi-head self-attention 模拟 CNNs 多通道输出的效果。
Self-attention 别人提出， 17年memory network也是一个研究热点，不知道可跳过。
区别：first transduction model relying entirely on self-attention to compute representations of its input and output without using sequencealigned RNNs or convolution.
background章节：跟你论文相关的是谁？跟你的联系与区别
模型
第一段： encoder-decoder 架构 + autogressive in decoder
sequence transduction models 比较好的结构是 encoder-decoder
encoder 将 （x1, x2, … , xn）（原始输入） 映射成 （z1, z2, …, zn）（机器学习可以理解的向量）。i.e., 一个句子有 n 个词，xt 是第 t 个词，zt 是第 t 个词的向量表示。
decoder 拿到 encoder 的输出，会生成一个长为 m 的序列（y1, y2, … , ym）
n 和 m 可以一样长、可以不一样长。i.e., 中英互译：Hello World 你好世界
encoder 和 decoder 的区别：decoder 的输出词是一个一个生成的，auto-regressive 的模型
encoder 一次性很可能看全整个句子。i.e., 翻译的时候，看到整句英语：Hello World
decoder 在解码的时候，只能一个一个的生成。auto-regressive，输入又是你的输出。i.e., 给定 z 向量 (z1, …, zn) 生成 y1，在得到 y1 之后可以生成 y2。在生成 yt 的时候，要把之前的 y1 到 yt-1 都拿到。在翻译的时候，一个词一个词往外蹦。
过去时刻的输出会作为你当前时刻的输入，自回归 auto-regressive。
第二段：Transformer 使用了 encoder-decoder架构
堆叠的 stacked self-attention and point-wise, fully-connected layers，展示在 figure 1
写论文：全局图、一张图解释所有
i.e., 中 译 英
Inputs: 中文句子
Outputs: decoder在做预测的时候 是没有输入的。Shifted right 指的是 decoder 在之前时刻的一些输出，作为此时的输入。一个一个往右移。
Inputs —- Input Embedding
输入经过一个 Embedding层， i.e., 一个词进来之后表示成一个向量。得到的向量值和 Positional Encoding （3.5）相加。
Encoder 的核心架构
Nx：N个 Transformer 的 block 叠在一起。
i.e., ResNet 中 N 个残差块 的叠加。
Transformer 的block
Multi-Head attention
Add & Norm: 残差连接 + Layernorm
Feed Forward: 前馈神经网络 MLP
encoder 的输出 作为 decoder 的输入
decoder 和 encoder有一点像
decoder 多了一个 Masked Multi-Head Attention
decoder 是 encoder 相同部分 和 Masked Multi-Head Attention 组成一个块，重复 Nx 次
decoder的输出进入一个 Linear 层，做一个 softmax，得到输出。
Linear + softmax: 一个标准的神经网络的做法
总结：Transformer 是一个比较标准的 encoder - decoder 架构。区别：encoder、decoder 内部结构不同，encoder 的输出 如何作为 decoder 的输入有一些不一样。
3.1 Encoder and Decoder Stacks
Encoder 结构：重复 6 个图中红色的 layer
每个 layer 有 2 个 sub-layers。
- 第一个 sub-layer 是 multi-head self-attention
- 第二个 sub-layer 是 simple, position-wise fully connected feed-forward network, 简称 MLP
每个 sub-layer 的输出做 残差连接 和 LayerNorm
公式：LayerNorm( x + Sublayer(x) )
Sublayer(x) 指 self-attention 或者 MLP
residual connections 需要输入输出维度一致，不一致需要做投影。简单起见，固定 每一层的输出维度dmodel = 512
简单设计：只需调 2 个参数 dmodel 每层维度有多大 和 N 多少层，影响后续一系列网络的设计，BERT、GPT。
Remark：和 CNN、MLP 不一样。MLP 通常空间维度往下减；CNN 空间维度往下减，channel 维度往上拉。
LayerNorm
写作：不要假设读者都知道所有的细节。可以的话，花几句话讲清楚内容
LayerNorm 和 BatchNorm 的画图对比
BatchNorm 简单的 2 维 情况
每一行是一个样本 X，每一列是 一个 feature
BatchNorm：每次把一列（1 个 feature）放在一个 mini-batch 里，均值变成 0， 方差变成 1 的标准化。
How：（该列向量 - mini-batch 该列向量的均值）/（mini - batch 该列向量的方差）
训练时：mini-batch 计算均值；
测试时：使用 全局 均值、方差。
BatchNorm 还会学 lambda1 beta，BatchNorm 可以通过学习将向量 放缩成 任意均值、任意方差 的一个向量。
Layernorm 画图示例
LayerNorm 跟 BatchNorm 在很多时候几乎是一样的，除了实现的方法有点不一样之外。
二维输入：
LayerNorm：对每个样本做 Normalization（把每一行变成 均值为 0、方差为 1），不是对每个特征做 normalization。
LayerNorm 在操作上 和 BatchNorm (二维输入) 的关系
LayerNorm 整个把数据转置一次，放到 BatchNorm 里面出来的结果，再转置回去，基本上可以得到LayerNorm的结果。
三维输入
Transformer 和 RNN 里面：3 维输入。
输入的是一个序列的样本，每个样本中有很多元素，是一个序列。
一个句子里面有 n 个词，每个词对应一个向量，+ 一个 batch –> 3 维
3维输入示意图
列 是 seq 序列长度 n；第 3 维 feature 是每个词额外的向量，d = 512 in transformer
BatchNorm
每次取一个特征，切一块（蓝色线），拉成一个向量，均值为 0 、方差为 1 的标准化。
LayerNorm (橙色) 横着切
LayerNorm 为什么用的多？
时序数据中 样本长度可能不一样。
举例分析：4个长度不一样的样本，0 填充到 max_len
BatchNorm 切出来的结果
BatchNorm 计算均值和方差，有效的是阴影部分，其余是 0
Mini-batch 的均值和方差：如果样本长度变化比较大的时候，每次计算小批量的均值和方差，均值和方差的抖动大。
全局的均值和方差：测试时遇到一个特别长的全新样本（最上方蓝色阴影块），训练时未见过，训练时计算的均值和方差可能不好用。
LayerNorm 切出来的结果
LayerNorm 每个样本自己算均值和方差，不需要存全局的均值和方差。
LayerNorm 更稳定，不管样本长还是短，均值和方差是在每个样本内计算。
Decoder 架构
decoder 和 encoder 很像，6 个 相同 layer 的堆叠、每个 sub-layer 的 residual connections、layer normalization。
每个 layer 里有 2个 encoder 中的 sub-layers, decoder 有第 3 个 sub-layer，对 encoder 的输出做 multi-head attention。
decoder 是 auto-regressive 自回归。当前时刻的输入集 是 之前一些时刻的输出。做预测时，decoder 不能看到 之后时刻的输出。
attention mechanism 每一次能看完完整的输入，要避免这个情况的发生。
在 decoder 训练的时候，在预测第 t 个时刻的输出的时候，decoder不应该看到 t 时刻以后的那些输入。它的做法是通过一个带掩码 masked 的注意力机制。–> 保证 训练和预测时 行为一致。
3.2 Attention
注意力函数是 一个将一个 query 和一些 key - value 对 映射成一个输出的函数，其中所有的 query、key、value 和 output 都是一些向量。
具体来说，output 是 value 的一个加权和 –> 输出的维度 == value 的维度。
output 中 value 的权重 = 查询 query 和对应的 key 的相似度 or compatibility function
权重等价于 query 和对应的 key 的相似度
虽然 key-value 并没有变，但是随着 query 的改变，因为权重的分配不一样，导致输出会有不一样，这就是注意力机制。
3.2.1 Scaled Dot-Product Attention
不同的相似度函数 导致 不同的注意力机制
Scaled Dot-Product Attention，最简单的注意力机制。
query 和 key 的长度是等长的，都等于 dk。value 的维度是 dv，输出也是 dv。
因为 query 和 key 可以不等长，不等长是有别的办法算的。
注意力的具体计算是：对每一个 query 和 key 做内积，然后把它作为相似度。
两个向量做内积：如果这两个向量的 norm 是一样d的话，那么内积的值越大，它的余弦值越大，这两个向量的相似度就越高。如果你的内积的值为 0 ，这两个向量正交了，没有相似度。
attention = softmax( 两个向量的内积值 / sqrt(dk)) * V ，dk 是向量的长度
使用 softmax ：一个 query 给 n 个 key - value pair ，这个 query 会跟每个 key - value pair 做内积，会产生 n 个相似度值。传入 softmax 得到 n 个非负、求和为 1 的权重值。把 softmax 得到的权重值 与 value 矩阵 V 相乘 得到 attention 输出。
实际计算：不会一个 query 一个 query 的计算，因为运算比较慢。把多个 query 写成 一个矩阵，并行化运算。
Q：n * dk
K: m * dk
Q * K T：(n * dk) * (m * dk)T = (n * m)
每一行蓝色的线：一个 query 对所有 key 的内积值，然后再除以sqrt(dk)， 再做 softmax。 softmax 是对每一行的值做 softmax，然后每一行之间是独立的，会得到权重。
权重 softmax( Q * K T / sqrt(dk) ) (n * m) 再乘以 V （m * dv）= (n * dv) 矩阵。
绿色的每一行它就是 attention。
attention 的计算：2次矩阵乘法、并行计算
Scaled Dot-Product Attention 和 别的注意力机制的区别
2 种常见的注意力机制：加性的注意力机制（它可以处理你的 query 和 key 不等长的情况，点积 dot-product 的注意力机制 （本文采用 scaled，➗ sqrt(dk) ），所以你可以看到它的名字它叫做 scale 的。
选用 dot-product 原因：两种注意力机制其实都差不多， 点乘实现 简单、高效，两次矩阵乘法计算。
scale dot-product 原因 ➗ sqrt(dk) ：防止softmax函数的梯度消失。
dk不是很大的时候，➗ 不➗ 都 ok。dk 比较大时 （2 个向量的长度比较长的时候），点积的值会比较大，or 会比较小。
当你的值比较大的时候，相对的差距会变大，导致最大值 softmax会更加靠近于1，剩下那些值就会更加靠近于0。值就会更加向两端靠拢，算梯度的时候，梯度比较小。
softmax会让大的数据更大，小的更小
因为 softmax 最后的结果是希望 softmax 的预测值，置信的地方尽量靠近，不置信的地方尽量靠近零，以保证收敛差不多了。这时候梯度就会变得比较小，那就会跑不动。
在 trasformer 里面一般用的 dk 比较大 (本文 512)，所以➗ sqrt(dk) 是一个不错的选择。
怎么做 mask ？
避免在 t 时刻，看到 t 时刻以后的输入。
在计算权重的时候，t 时刻只用了 v1, …, vt-1 的结果，不要用到 t 时刻以后的内容。
把 t 时刻以后 Qt 和 Kt 的值换成一个很大的负数，如 1 ^ (-10)，进入 softmax 后，权重为0。 –> 和 V 矩阵做矩阵乘法时，没看到 t 时刻以后的内容，只看 t 时刻之前的 key - value pair。
理解：mask是个 0 1矩阵，和attention（scale QK）size一样，t 时刻以后 mask 为 0。
3.3.2 Multi-head attention
与其做一个单个的注意力函数，不如说把整个 query、key、value 整个投影 project 到 1个低维，投影 h 次。然后再做 h 次的注意力函数，把每一个函数的输出 拼接在一起，然后 again projected，会得到最终的输出。
输入是：原始的 value、key、query
进入一个线形层，线形层把 value、key、query 投影到比较低的维度。然后再做一个 scaled dot product （图 2 左图）。
执行 h 次会得到 h 个输出，再把 h 个 输出向量全部合并 concat 在一起，最后做一次线性的投影 Linear，会回到我们的 multi-head attention。
为什么要做多头注意力机制呢？一个 dot product 的注意力里面，没有什么可以学的参数。具体函数就是内积，为了识别不一样的模式，希望有不一样的计算相似度的办法。
加性 attention 有一个权重可学，也许能学到一些内容。
本文的 dot-product attention，先投影到低维，投影的 w 是可以学习的。
multi-head attention 给 h 次机会去学习 不一样的投影的方法，使得在投影进去的度量空间里面能够去匹配不同模式需要的一些相似函数，然后把 h 个 heads 拼接起来，最后再做一次投影。
有点像 CNN 多个输出通道的感觉。
multi-head attention 具体公式
Multi-head 的输入还是Q,K,V
但是输出是 不同的头的输出的 concat 起来，再投影到一个 WO 里面。
每一个头 hi 是把 Q,K,V 通过 可以学习的 Wq, Wk, Wv 投影到 dv 上，再通过注意力函数，得到 headi。
本文采用 8 个 heads。因为有残差连接的存在使得输入和输出的维度至少是一样的。
投影维度 dv = dmodel / h = 512 / 8 = 64，每个 head 得到 64 维度，concat，再投影回 dmodel。
3.2.3 Applications of attentions in our model
3 种 不一样的注意力层
encoder 的注意力层：
i.e., 句子长度是 n，encoder 的输入是一个 n 个长为 d 的向量。
假设 pn 大小设成 1 了，每一个输入词对应的是一个长为 d 的向量。
encoder 的注意力层，有三个输入，它分别表示的是key、value 和 query。
一根线过来，它复制成了三下：同样一个东西，既 key 也作为 value 也作为 query，所以叫做自注意力机制。key、value 和 query 其实就是一个东西，就是自己本身。
输入了 n 个 query，每个 query 会得到一个输出，那么会有 n 个输出。
输出 是 value 加权和（权重是 query 和 key 的相似度），输出的维度 == d – > 输入维度 == 输出维度
绿色线代表权重，和自己的相似度最大、权重线最粗。
假设和最右侧向量 相似度比较高，权重也会高一些、绿色线会粗一些。
不考虑 multi-head 和 有投影的情况：
输出是 输入的加权和，其权重来自 每个向量与其它向量的相似度。
multi-head 和 有投影的情况：
学习 h 个不一样的距离空间，使得输出变化。
decoder 的 masked multi-head attention
输入复制 3 份。
masked 体现在，看不到 t 时刻以后的输入，黄圈内的绿色权重为 0
decoder 的 multi-head attention
不再是 self-attention。
key - value 来自 encoder 的输出。
query 是来自 decoder 里 masked multi-head attention 的输出。
图中红色方块：encoder 的输出 value 和 key 。
encoder 最后一层的输出： n 个 长为 d 的向量。
图中绿色方块：
decoder 的 masked multi-head attention + Add & Norm 的输出是 m 个 长为 d 的向量。
图中蓝色方块：decoder 的输出
根据 query 算输出： value 的加权和 （权重 取决于 红色方块 和 绿色方块 的相似度）
第 3 个 attention 层，根据 query 去有效的提取 encoder 层输出
i.e.， Hello World –> 你好世界
计算 “好” 的时候，“好”作为 query ，会跟 “hello” 向量更相近一点，给 “hello” 向量一个比较大的权重。
但是 “world” 跟后面的词相关， “world” 跟 当前的query （“好” ）相关度没那么高。
在算 “好” 的时候，我会给“hello” 向量一个比较大的权重。
在算 query “世” 的时候，会给第二个 “world” 向量，一个比较大的权重。
根据解码器的输入的不一样，会根据当前的 query 向量，去在编码器的输出里面去挑我（当前 query）感兴趣的东西。
attention：query 注意到 当前的 query 感兴趣的东西，对当前的 query的不感兴趣的内容，可以忽略掉。 –> attention 作用：在 encoder 和 decoder 之间传递信息
3.3 Position-wise Feed-Forward Networks
作用在最后一个维度的 MLP
MLP: applied to each position separtely and identically.
Point-wise：把一个 MLP 对每一个词 （position）作用一次，对每个词作用的是同样的 MLP
FFN： Linear + ReLU + Linear
单隐藏层的 MLP，中间 W1 扩维到4倍 2048，最后 W2 投影回到 512 维度大小，便于残差连接。
pytorch实现：2个线性层。pytorch在输入是3d的时候，默认在最后一个维度做计算。
最简单情况：没有残差连接、没有 layernorm、 attention 单头、没有投影。看和 RNN 区别
attention 对输入做一个加权和，加权和 进入 point-wise MLP。（画了多个红色方块 MLP， 是一个权重相同的 MLP）
point-wise MLP 对 每个输入的点 做计算，得到输出。
attention 作用：把整个序列里面的信息抓取出来，做一次汇聚 aggregation
图中红色填充块，已经就有了，序列中感兴趣的东西
以至于我在做投影，在做 MLP 的时候映射成我更想要的那个语义空间的时候，因为这个东西已经含有了我的序列信息，所以每个 MLP 只要在对每个点独立做就行了。
历史信息，因为这个地方序列信息已经被汇聚完成，所以 MLP 是可以分开做的，也就整这个 transformer 是如何抽取序列信息，然后把这些信息加工成我最后要的语义空间，向量的过程
对比 RNN 怎么做的。
图中 绿色 表示之前的信息
RNN 跟 transformer 异：如何传递序列的信息
RNN 是把上一个时刻的信息输出传入下一个时候做输入。Transformer 通过一个 attention 层，去全局的拿到整个序列里面信息，再用 MLP 做语义的转换。
RNN 跟 transformer 同：语义空间的转换 + 关注点
用一个线性层 or 一个 MLP 来做语义空间的转换。
关注点：怎么有效的去使用序列的信息。
3.4 Embeddings and Softmax
embedding：将输入的一个词、词语 token 映射成 为一个长为 d 的向量。学习到的长为 d 的向量 来表示整个词、词语 token。
本文 d = 512
编码器、解码器、最后 softmax 之前的 3 个 embedding 共享权重。–> 训练更简单。
Note：权重 * sqrt(dmodel = 512) ，学 embedding 的时候，会把每一个向量的 L2 Norm 学的比较小。
i.e., 学成 1， 不论维度多大，最后的值都会 = 1。
维度大的化，学到的一些权重值就会变小，但之后还需要加上 positional encoding（不会随着维度的增加而变化）。
multiply weights by sqrt(dmodel) 使得 embedding 和 positional encosing 的 scale 差不多，可以做加法。
3.5 Positional Encoding
Why? attention 不会有时序信息。
output 是 value 的 加权和（权重是 query 和 key 之间的距离，和 序列信息 无关）。
根本不看 key - value 对在序列哪些地方。一句话把顺序任意打乱之后，attention 出来，结果都是一样的。
顺序会变，但是值不会变，有问题！
在处理时序数据的时候，一句话里面的词完全打乱，那么语义肯定会发生变化，但是 attention 不会处理这个情况。 –> 加入时序信息。
How：RNN 把上一时刻的输出 作为下一个时刻的输入，来传递时序信息。
How：attention 在输入里面加入时序信息 –> positional encoding
一个在位置 i 的词，会把 i 位置信息加入到输入里面。如位置12345，12345。
计算机表示一个 32 位的整数：32个 bit，每个 bit 上有不同的值来表示。
一个词在嵌入层表示成一个 512 维的向量，用另一个 512 维的向量来表示一个数字，位置信息 1 2 3 4 5 6 7 8……。
表示一个位置数字信息的值，怎么计算？
周期不一样的 sin 和 cos 函数计算 –> 任何一个值可以用一个长为 512 的向量来表示。
这个长为 512 、记录了时序信息的一个positional encoding，+ 嵌入层相加 –> 完成 把时序信息加进数据。
详细看图解释：输入进来进入 embedding 层之后，那么对每个词都会拿到那个向量长为 512 的一个向量。positional encodding （这个词在句子中的位置），返回一个长为 512 的向量，表示这个位置，然后把 embeding 和 positional encodding 加起来就行了。
positional encodding 是 cos 和 sin 的一个函数，在 [-1, +1] 之间抖动的。所以 input embedding * sqrt(d) ，使得乘积后的每个数字也是在差不多的 [-1, +1] 数值区间。相加完成 –> 在输入里面添加时序信息。
完成 与 positional encoding 相加 之后的部分是顺序不变的。
不管怎么打乱输入序列的顺序，进入 layer 之后，输出那些值是不变的，最多是顺序发生了相应的变化。所以就直接把顺序信息直接加在数据值里。
模型架构总结
内容不长、但弄清楚细节比较花时间。
Why Self-attention
模型长什么样，为什么要这样做？设计理念
解释 Table 1
第一个当然是他们关注的自注意力，然后是循环层、卷积层。另外一个是他构造出来一个受限的自注意力，它的有三列作比较。第一列是说我的计算复杂度当然是越低越好。第二个是说我的顺序的计算越少越好。顺序的计算就是说你下一步计算必须要等前面多少步计算完成，再算一个 layer 的时候。你越标的，那么你的并行度就越高啊。
Complexity per Layer 越少越好
n 序列长度，d 向量长度；
self-attention: O(n^2 * d) 主要是矩阵乘法，并行度高
Q（n * d） K（m * d）–> Q * KT (n * m)
self-attention 自注意力，query、key 相同 –> m = n, 复杂度为O(n^2 * d) 【其它的矩阵运算复杂度是一样的 O()省略了常数项 k 】
recurrent: 序列长度为 n ，一个 dense layer * 一个长为 d 的输入
循环层是要我们知道，如果你的序列是长的 N 话，它就一个一个做运算，每个里面它的主要的计算就是一个 N 乘以 N 的矩阵，一个你就是一个 dance layer 然后再乘以你一个长为 D 的一个输入，所以它是一个 N 平方，然后要做 N 次，所以是 N 乘 D 平方。
然后你对比一下这两个东西是有一定区别的，真的取决你是 N 大还是 D 大。如果你 N 大的话，当然它贵点。你第一大的话是下面一个贵一点。实际上来说，你的第一这个地方是52，你的 N 也差不多是几百的样子。现在当然是说比较大的模型话，第一可以做到 22048 甚至更大，你的 N 相对来说也会做得比较，也是几千的样子。所以你其实现在看起来这两个东西都差不多， N 和 D 的其实在差不多的数据上面。所以这两个都差不多。
convolutional: k 比较小 3 5；CNN 和 RNN 复杂度差不多；
self-attention(restricted): query 只跟 最近的 r 个邻居计算
Sequential Operations （下一步计算，必须要等前面多少步 计算完成） 越少，并行度越高
self-attention: O(1)，矩阵乘法的并行度高
recurrent: 一步一步做运算，当前时刻的词 需要等待前面所有时刻 计算完成，–> 一个成为 N 的一个序列化的操作，在并行上是比较吃亏的。我们之前提到过。另外一个是说你最初点的那个历史信息，需要到最后那一个点的话需要走过 N 步才能过去，所以它这个地方的最长是 on 所以大家会批评。
convolutional:
self-attention(restricted):
Maximum Path Length（一个信息从一个数据点走到另外一个数据点要走多少步）越短越好
任何两个 走多少步
self-attention: O(1)，一个 query 和所有的 key 做运算。输出是所有 value 的加权和。任何 query 和任意一个很远的 key-value pair，只要一次就能过来。
recurrent:
convolutional:
self-attention(restricted):
总结：实际使用 self-attention ，前 3 个算法的时间复杂度差不多，attention 需要更多的数据。
实验
Training Data and Benchmarking
WMT 2014 数据集
byte-pair encoding, BPE 提取词根 –> 处理一个词的多种变化 -ing -ed、37000 tokens（英语德语共享字典 –> encoder 和 decoder 用一个东西、模型更简单、Embedding 共享权重）
英语法语用了一个更大的数据集
Hardware and Schedule
8 P100 GPUs, 现在 Google 推荐用 TPUs (适合大的矩阵乘法)
0.4 seconds / batch, 100, 000 steps or 12 hours
big models: 1s / step, 300, 000 steps, 3.5 days
Optimizer：没有可以调的Adam
Adam 训练器； beta2 常见为 0.99 or 0.999
学习率通过公式计算
dmodel ^ (-0.5) == 1 / sqrt(dmodel) –> 模型要学习的宽度越宽，学习率越低
warm-up, 从一个小的值慢慢爬到一个高的值，到一定值之后，根据 step_num ^ 0.5衰减
warmup-steps 4000步
学习率不用调，Adam 对学习率不那么敏感，dmodel已经考虑在公式里， step_num 也是不错的 schedule。
Regularization
Residual Dropout
each sub-layer: 多头注意力 和 之后的 MLP，每一层的输出上，在进入残差连接之前和进入 layernorm 之前，使用 dropout，P drop = 0.1
10% 的元素 重置为 0， 剩下的值 * 1.1
总结：带权重的层，输出都使用了 dropout
Label Smoothing
Inception V3
0 - 1 标签，softmax很难趋近为1。很soft，输出值很大，才会激活为1。
正确的词，softmax的输出为 0.1 即可，剩下的值是 0.9 / 字典大小
损失 perplexity，模型的困惑度（不确信度）、log（loss）做指数。因为正确的标签只需要给到 10 %。
模型不那么精确，可以提高 accuracy and BLEU score
超参数的对比：只调 N层数、dmodel模型的宽、注意力的head数 h
N 是 堆多少层
dmodel 模型的宽度：是 一个 token 进来之后表示成 多长的向量
dff 是 MLP 中间隐藏层输出的大小
h 是 注意力层 head 的个数
dk, dv 分别是 key 和 value 的维度
Pdrop 是 dropout 的概率
Els 是 label smoothing 要学的正确的 label 值为多少
dmodel = h * dk
big model：模型宽度 * 2, dff * 2，
h * 2 –> dk 和 dv 不用变维度
模型更复杂 –> Pdrop = 0.3, train steps 300 K
模型可调的参数：多少层 N，多宽 dmodel, 模型的 head数 h，剩下的参数按比例计算，便于后人的工作。
Table 4: 除了 MT，其它的任务也表现不错。
评论：写作、Transformer 模型、 attention标题、未来
写作：非常简洁、每句话在讲一件事情；没有太多的写作技巧、提出了 Transformer 模型、和 CNN、 RNN 的对比
建议：写作技巧 – 将一个故事，有代入感，设计理念是什么、对整篇文章的思考是什么，不那么重要的放 appendix
Transformer 模型出圈 –> 多模态：像 CNN 对 CV 的作用，不仅仅应用在NLP，在 CV、Video上也有很好的应用。
启示：一个新的模型可以在 DL 上 通用。人的感知是多模态的、使得 Transformer 在文本、语音、视频抽取多维特征。
对 Transformer 中 attention 的理解：attention只是起到 把整个序列的信息聚合起来 的作用，后面的 MLP 和 残差连接 是缺一不可的。去掉 MLP 和 残差连接，只有 attention，也什么都训练不出来。
呼应标题 attention is all you need：不是只有 attention 就行了。
attention 没有对数据的顺序建模，为什么 ko RNN 呢？
RNN 显示的建模了序列信息，理论应该比 attention 效果更好。
attention 用了更广泛的 inductive bias 归置偏置，使得 attention 没有用空间上的假设，取得和 CNN 一样、 甚至更好的结果。
代价：假设更加一般、对数据的抓取能力差，需要使用更多的数据、更大的模型 才能训练出一样的效果
CNN的inductive bias应该是locality和spatial invariance，即空间相近的grid elements有联系而远的没有，和空间不变性（kernel权重共享）
RNN的inductive bias是sequentiality和time invariance，即序列顺序上的timesteps有联系，和时间变换的不变性（rnn权重共享）
attention 给研究者的鼓励：在 CNN 和 RNN 之外，也有新的模型能够打败它们。有研究者在尝试就用 MLP or 更简单的架构，在图片、文本上去的很好的效果。
未来 DL 领域会有更多的模型出现，更有意思~
参考资料
https://www.bilibili.com/video/BV1pu411o7BE
https://www.cnblogs.com/baobaotql/p/11662720.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/34781297
https://www.bilibili.com/read/cv13759416