Gemeinsame Aufgaben! Tsinghua schlägt den Flowformer für das Backbone-Netzwerk vor, um eine lineare Komplexität zu erreichen |-KI-php.cn

Aufgabenuniversalität ist eines der Kernziele der grundlegenden Modellforschung und auch die einzige Möglichkeit für die Deep-Learning-Forschung, zu fortgeschrittener Intelligenz zu führen. Dank der universellen Schlüsselmodellierungsfähigkeiten des Aufmerksamkeitsmechanismus hat Transformer in den letzten Jahren in vielen Bereichen gute Leistungen erbracht und nach und nach einen Trend zur universellen Architektur gezeigt. Mit zunehmender Länge der Sequenz weist die Berechnung des Standardaufmerksamkeitsmechanismus jedoch eine quadratische Komplexität auf, was seine Anwendung bei der Modellierung langer Sequenzen und großen Modellen erheblich behindert.

Zu diesem Zweck hat ein Team der School of Software der Tsinghua-Universität dieses Schlüsselproblem eingehend untersucht und einen aufgabenuniversellen linearen Komplexitäts-Backbone-Netzwerk-Flowformer vorgeschlagen, der seine Komplexität auf den Standard-Transformer reduziert und gleichzeitig seine Vielseitigkeit beibehält. Das Papier wurde vom ICML 2022 angenommen.

Gemeinsame Aufgaben! Tsinghua schlägt den Flowformer für das Backbone-Netzwerk vor, um eine lineare Komplexität zu erreichen |

Autorenliste: Wu Haixu, Wu Jialong,

Code: https://github.com/thuml/Flowformer

Im Vergleich zum Standardtransformer weist das in diesem Artikel vorgeschlagene Flowformer-Modell die folgenden Eigenschaften auf:

Lineare Komplexität

und kann Behandeln Sie Eingaben mit Tausenden von Sequenzlängen.

erzielt hervorragende Ergebnisse bei fünf Hauptaufgaben. 1. Problemanalyse
Die Standardeingabe des Aufmerksamkeitsmechanismus enthält drei Teile: Abfragen (), Schlüssel () und Werte (). Die Berechnungsmethode lautet wie folgt: Wo ist die Aufmerksamkeitsgewichtsmatrix und das Finale? Das Berechnungsergebnis wird aus der gewichteten Fusion erhalten, und die Rechenkomplexität des obigen Prozesses beträgt. Es wird darauf hingewiesen, dass es viele Studien zum Problem der kontinuierlichen Multiplikation multinomialer Matrizen in klassischen Algorithmen gibt. Insbesondere für den Aufmerksamkeitsmechanismus können wir das assoziative Gesetz der Matrixmultiplikation verwenden, um eine Optimierung zu erreichen. Beispielsweise kann die ursprüngliche quadratische Komplexität auf linear reduziert werden. Die Funktion im Aufmerksamkeitsmechanismus macht es jedoch unmöglich, das Assoziativgesetz direkt anzuwenden. Daher ist das Entfernen von Funktionen im Aufmerksamkeitsmechanismus der Schlüssel zum Erreichen linearer Komplexität. Viele neuere Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass Funktionen eine Schlüsselrolle bei der Vermeidung trivialer Aufmerksamkeitslernen spielen. Zusammenfassend freuen wir uns auf eine Modelldesignlösung, die die folgenden Ziele erreicht: (1) Funktionen entfernen; (2) triviale Aufmerksamkeit vermeiden; (3) die Vielseitigkeit des Modells beibehalten; 2. Motivation
Um Ziel (1) zu erreichen, wurde in früheren Arbeiten häufig die Kernelmethode verwendet, um die Funktion zu ersetzen, d wird triviale Aufmerksamkeit erregen. Zu diesem Zweck mussten in früheren Arbeiten für Ziel (2) einige induktive Präferenzen eingeführt werden, die die Vielseitigkeit des Modells einschränkten und daher Ziel (3) nicht erfüllten, wie beispielsweise die Lokalitätsannahme in cosFormer. Wettbewerbsmechanismus in Softmax

Um die oben genannten Ziele zu erreichen, gehen wir von den grundlegenden Eigenschaften der Analyse aus. Wir weisen darauf hin, dass ursprünglich vorgeschlagen wurde, die maximale Operation „Winner-take-all“ in eine differenzierbare Form zu erweitern. Daher

Dank seines inhärenten „Konkurrenz“-Mechanismus kann es die Aufmerksamkeitsgewichte zwischen Token unterscheiden und so gewöhnliche Aufmerksamkeitsprobleme vermeiden.

Basierend auf den obigen Überlegungen versuchen wir, den Wettbewerbsmechanismus in das Design des Aufmerksamkeitsmechanismus einzuführen, um triviale Aufmerksamkeitsprobleme zu vermeiden, die durch die Zerlegung der Kernelmethode verursacht werden.

Wettbewerbsmechanismus im Netzwerkfluss

Wir achten auf das klassische Netzwerkflussmodell (Flow Network) in der Graphentheorie. „Erhaltung“(Erhaltung) ist ein wichtiges Phänomen, das heißt, der Zufluss jedes Knotens ist gleich zum Abfluss. Inspiriert von „Bei festen Ressourcen wird es zwangsläufig zu Konkurrenz kommen“ versuchen wir in diesem Artikel, den Informationsfluss im klassischen Aufmerksamkeitsmechanismus aus der Perspektive des Netzwerkflusses erneut zu analysieren und Wettbewerb in den Aufmerksamkeitsmechanismus einzuführen durch ErhaltungseigenschaftenDesign, um alltägliche Aufmerksamkeitsprobleme zu vermeiden.

3. Flowformer (Flusskapazität, entsprechend dem Aufmerksamkeitsgewicht) konvergiert zu

Sink

(Senke, entsprechend).

Außerhalb des Aufmerksamkeitsmechanismus stammen die Informationen der Quelle (v) von der oberen Schicht des Netzwerks, und die Informationen der Senke (R) werden auch der darunter liegenden Feed-Forward-Schicht bereitgestellt.

3.2 Fluss-Aufmerksamkeit

Basierend auf den obigen Beobachtungen können wir „feste Ressourcen“ realisieren, indem wir die Interaktion zwischen dem Aufmerksamkeitsmechanismus und dem externen Netzwerk aus zwei Perspektiven steuern: Zufluss und Abfluss verursacht Konkurrenz innerhalb von Quellen bzw. Senken, um triviale Aufmerksamkeit zu vermeiden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit setzen wir die Menge an Interaktionsinformationen zwischen dem Aufmerksamkeitsmechanismus und dem externen Netzwerk auf den Standardwert 1 ist nicht schwer zu bekommen, vor der Konservierung beträgt die Menge an einfließenden Informationen für die Senke:

. Um die Informationsmenge, die in jede Senke fließt, auf Einheit 1 festzulegen, führen wir

als Normalisierung in die Berechnung des Informationsflusses (Aufmerksamkeitsgewicht) ein. Nach der Normalisierung beträgt die Menge der Zuflussinformationen der Senke:
Zu diesem Zeitpunkt besteht aufgrund der Erhaltung des Zuflusses der Senke eine natürliche Konkurrenzbeziehung zwischen den verschiedenen Quellen (V). Wir berechnen Jede Quelle zu diesem Zeitpunkt ( Die durch V angegebene Informationsmenge) kann erhalten werden: die von jeder Quelle unter Wettbewerbsbedingungen bereitgestellte Informationsmenge, die auch die Bedeutung jeder Quelle darstellt.
(2) Erhaltung des Ausflusses aus der Quelle (V): Ähnlich wie beim oben genannten Prozess beträgt vor der Erhaltung für die Quelle die Menge der ausfließenden Informationen:

. Um die aus jeder Quelle fließende Informationsmenge auf Einheit 1 festzulegen, führen wir die Berechnung des Informationsflusses (Aufmerksamkeitsgewicht) als Normalisierung ein. Nach der Normalisierung beträgt die Menge der Abflussinformationen aus der j-ten Quelle:
. Zu diesem Zeitpunkt besteht aufgrund der Erhaltung des Abflusses aus der Quelle eine natürliche Konkurrenzbeziehung zwischen den Senken (). Wir berechnen die Informationsmenge, die jede Senke () zu diesem Zeitpunkt empfängt, und können Folgendes erhalten: Im Rahmen des Wettbewerbs beträgt die endgültige Anforderung für jedes Ergebnis die Menge der erhaltenen Informationen.

(3) Gesamtdesign Basierend auf den obigen Ergebnissen entwerfen wir den folgenden Flow-Attention-Mechanismus, der insbesondere drei Teile umfasst: Wettbewerb, Aggregation und Zuteilung: Der Wettbewerb konkurriert Wenn der Mechanismus vorhanden ist Wichtige Informationen werden hervorgehoben. Die Aggregation basiert auf dem Matrix-Assoziationsgesetz, um eine lineare Komplexität zu erreichen. Durch die Einführung eines Wettbewerbsmechanismus wird die Menge der an die nächste Ebene weitergegebenen Informationen gesteuert. Alle Operationen im obigen Prozess weisen eine lineare Komplexität auf. Gleichzeitig basiert das Design von Flow-Attention nur auf dem Erhaltungsprinzip im Netzwerkfluss und integriert den Informationsfluss wieder. Daher werden keine neuen induktiven Präferenzen eingeführt, wodurch die Vielseitigkeit des Modells gewährleistet wird. Flowformer wird erhalten, indem die quadratische Komplexität Attention im Standardtransformator durch Flow-Attention ersetzt wird. 4. Experimente

In diesem Artikel wurden umfangreiche Experimente mit Standarddatensätzen durchgeführt:
behandelte die fünf Hauptaufgaben Langsequenz, Vision, natürliche Sprache, Zeitreihen und verstärkendes Lernen; Es gibt zwei Arten von Aufmerksamkeitsmechanismen: normale und autoregressive Aufgaben (kausal).
Deckt Eingabesituationen verschiedener Sequenzlängen (20-4000) ab.

Vergleicht verschiedene Basismethoden wie klassische Modelle in verschiedenen Bereichen, Mainstream-Deep-Modelle, Transformer und seine Varianten.

Wie in der Tabelle unten gezeigt, schnitt Flowformer bei allen fünf Hauptaufgaben gut ab und bestätigte damit die Vielseitigkeit des Modells. Detaillierte experimentelle Ergebnisse finden Sie im Artikel.

5. Analyse

Um das Funktionsprinzip von Flowformer weiter zu erklären, haben wir ein visuelles Experiment zur Aufmerksamkeit in der ImageNet-Klassifizierungsaufgabe (entsprechend Flow-Attention) durchgeführt, aus dem wir Folgendes finden können:

Wenn Sie nur die Kernel-Zerlegungsmethode wie Linear Transformer verwenden, wird das Modell abgelenkt und kann Schlüsselbereiche nicht effektiv erfassen.

Sowohl der klassische Transformer als auch der Flowformer können die Schlüsselpositionen des Bildes genau erfassen Letzteres hat einen Vorteil in Bezug auf die Rechenkomplexität.

cosFormer führt eine eindimensionale Lokalitätsannahme im Aufmerksamkeitsmechanismus ein, die hervorragende Auswirkungen auf Sprachaufgaben hat. Aber in Bildern (Entfaltung von 2D-Daten in 1D-Sequenzen) kann es nicht an Sehaufgaben angepasst werden, ohne die Lokalitätsannahme auf zwei Dimensionen auszudehnen. Dies bestätigt auch den Vorteil der Entwurfsmethode im Flowformer, die „keine neuen induktiven Präferenzen einführt“.

Die obige Visualisierung zeigt, dass die Einführung von Wettbewerb in die Gestaltung des Aufmerksamkeitsmechanismus durch Flow-Attention triviale Aufmerksamkeit effektiv vermeiden kann. Weitere Visualisierungsexperimente finden Sie im Artikel.

6. Zusammenfassung

Der in diesem Artikel vorgeschlagene Flowformer führt das Erhaltungsprinzip im Netzwerkfluss in das Design ein und führt auf natürliche Weise den Wettbewerbsmechanismus in die Aufmerksamkeitsberechnung ein, wodurch das triviale Aufmerksamkeitsproblem effektiv vermieden und lineare Komplexität erreicht wird Gleichzeitig bleibt die Vielseitigkeit des Standard-Transformers erhalten. Flowformer hat bei fünf Hauptaufgaben hervorragende Ergebnisse erzielt: lange Sequenzen, Vision, natürliche Sprache, Zeitreihen und verstärkendes Lernen. Darüber hinaus inspiriert das Designkonzept „keine besondere Induktionspräferenz“ im Flowformer auch zur Erforschung allgemeiner Infrastruktur. In zukünftigen Arbeiten werden wir das Potenzial von Flowformer für groß angelegte Vorschulungen weiter untersuchen.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonGemeinsame Aufgaben! Tsinghua schlägt den Flowformer für das Backbone-Netzwerk vor, um eine lineare Komplexität zu erreichen |. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!