Google力作 | Infini-attention无限长序列处理Transformer

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论文链接：https://arxiv.org/pdf/2404.07143.pdf

google

这篇论文的标题是《Leave No Context Behind: Efficient Infinite Context Transformers with Infini-attention》，作者是Tsendsuren Munkhdalai、Manaal Faruqui和Siddharth Gopal，来自Google。论文介绍了一种新的方法，可以将基于Transformer的大型语言模型（LLMs）扩展到无限长的输入，同时保持内存和计算资源的有界性。核心是一种名为Infini-attention的新型注意力机制。

摘要（Abstract）

• 论文提出了一种有效的方法，使得基于Transformer的大型语言模型能够处理无限长的输入序列，同时保持内存和计算资源的有界性。

• 介绍了Infini-attention，这是一种新的注意力技术，它在传统的注意力机制中加入了压缩记忆(compressive memory)，并在单个Transformer块中集成了masked局部注意力和long-term线性注意力机制。

• 通过在长上下文语言建模基准、1M序列长度的密钥上下文块检索和500K长度的书籍摘要任务上的实验，证明了该方法的有效性。

• 该方法引入了最小化的有界内存参数，并使得大型语言模型能够进行快速的流式推理。

方法（Method）

• 论文比较了Infini-Transformer和Transformer-XL，并解释了Infini-Transformer是如何在每个段上计算标准的因果点积注意力上下文的。

• 介绍了Infini-attention的工作原理，包括局部注意力、压缩记忆、长期上下文注入等。

• 详细描述了压缩记忆的实现方式，包括记忆检索和更新过程。

• 讨论了Infini-Transformer如何通过压缩记忆和局部注意力状态的结合来输出最终的上下文。

Infini-attention

图1展示了Infini-attention的结构，它是一个用于处理无限长上下文的注意力机制。这个结构的核心在于它将压缩记忆（compressive memory）整合到了传统的注意力机制中，并在单个Transformer块内实现了局部注意力和长期线性注意力的结合。

图1还展示了Infini-attention与传统Transformer注意力机制的区别。在传统的Transformer中，随着序列长度的增加，注意力机制的内存占用和计算复杂度也会增加。而在Infini-attention中，通过压缩记忆的使用，可以有效地处理无限长的序列，同时保持内存占用和计算复杂度的有界性。

图1 Infini-attention

整体而言，图1揭示了Infini-attention如何通过结合压缩记忆和线性注意力机制，使得Transformer模型能够高效地处理长序列数据，同时保持计算资源的可管理性。

图2 Infini-Transformer vs Transformer-XL

图2比较了Infini-Transformer和Transformer-XL两种模型在处理长序列时对上下文信息的处理方式。这两种模型都操作于序列的段（segments），并且在每个段内计算因果点积注意力上下文。以下是图2中展示的主要组件和流程：

1. 输入序列（Input segments）

   • 输入序列被分割成多个段（segments），每个段包含一定数量的标记（tokens）。

2. 注意力查询（Q）、键（K）和值（V）

   • 对于每个输入段，都会计算出对应的查询（Q）、键（K）和值（V）向量。这些向量是通过输入序列与训练得到的投影矩阵（WQ、WK和WV）相乘得到的。

3. 压缩记忆（Compressive memory）

   • 压缩记忆是一个固定大小的存储结构，它用于存储和回忆过去的上下文信息。在Infini-attention中，压缩记忆通过关联矩阵（associative matrix）来参数化，这允许它以高效的方式更新和检索信息。

4. 线性注意力（Linear attention）

   • 线性注意力机制用于从压缩记忆中检索信息。它通过将当前的查询向量与压缩记忆的关联矩阵相乘来实现，从而得到长期记忆检索的值向量（Amem）。

5. 记忆更新（Memory update）

   • 当处理新的输入段时，会根据新的键和值向量更新压缩记忆。这个过程涉及到将新的记忆条目与旧的记忆条目结合，并更新关联矩阵。

6. 长期上下文注入（Long-term context injection）

   • 通过一个学习的门控标量（β），将局部注意力状态（Adot）和从压缩记忆中检索到的内容（Amem）结合起来，形成最终的上下文表示。

7. 多头注意力（Multi-head attention）

   • 多头注意力机制并行计算多个上下文状态，然后将这些状态连接起来，并通过一个投影矩阵（WO）转换为最终的注意力输出（O）。

图2强调了Infini-Transformer如何通过压缩记忆来维持整个序列的历史信息，这使得模型能够处理更长的上下文，而不仅仅是最近的段。这种结构允许Infini-Transformer在处理每个新的序列段时，都能够访问到之前的上下文信息，从而提高了模型处理长序列的能力。相比之下，Transformer-XL虽然通过缓存机制扩展了上下文窗口，但它的有效上下文长度仍然受限，因为它只保留了最近段的信息。这种对比展示了Infini-Transformer在处理长序列时的优势。

图3 gating score

图3在论文中展示了Infini-Transformer中使用Infini-attention机制训练后，注意力头（attention heads）的门控得分（gating score）分布情况。门控得分是通过sigmoid函数应用于学习的门控标量β得到的，用于控制在长短期信息流之间的平衡。

揭示了Infini-Transformer如何通过Infini-attention机制在模型内部学习和利用不同类型的注意力头，以适应长序列数据的处理。这种机制使得模型能够在保持有界内存和计算资源的同时，有效地处理和整合长期和短期的上下文信息。

实验结果（Experiments）

表1

表1在论文中列出了不同Transformer模型的内存占用（memory footprint）、上下文长度（context length）以及它们的记忆更新（memory update）和检索（memory retrieval）机制。这些模型都使用了段级别的记忆，即它们在处理长序列时会将输入分割成多个段，并在每个段上独立地应用注意力机制。

1. Transformer-XL

   • 内存占用：N是输入段的长度，l是层数，H是注意力头的数量，dkey和dvalue分别是键和值的维度。

   • 有效上下文长度：N × l，表示模型可以覆盖从当前段开始的N个标记以及前l个段的历史信息。

   • 记忆更新和检索：Transformer-XL在每个层级上缓存最后一个段的键值状态，并在处理新段时丢弃旧的状态。

2. Compressive Transformer

   • 内存占用：c是压缩记忆的大小，dmodel是模型的维度。

   • 有效上下文长度：r是压缩比率。

   • 记忆更新和检索：Compressive Transformer增加了一个压缩记忆缓存，用于存储过去段激活的压缩表示，从而扩展了上下文窗口。

3. Memorizing Transformers

   • 内存占用：S是段的数量。

   • 有效上下文长度：N × S，表示模型可以存储整个输入序列的键值状态。

   • 记忆更新和检索：Memorizing Transformers存储整个序列的键值状态作为上下文，但由于存储成本很高，它们通常只使用单层注意力。

4. RMT (Recurrent Memory Transformer) 和 AutoCompressors

   • 内存占用：p是软提示摘要向量的数量。

   • 有效上下文长度：N × S，与Memorizing Transformers相同。

   • 记忆更新和检索：这两种模型通过将输入压缩成摘要向量，并将其作为额外的软提示输入传递给后续段，从而允许潜在的无限上下文长度。但是，这些技术的成功率高度依赖于软提示向量的大小。

5. Infini-Transformers

   • 内存占用：对于单层模型来说，内存复杂度是常数。

   • 有效上下文长度：N × S，与上述模型相同，但内存占用显著减少。

   • 记忆更新和检索：Infini-Transformer通过线性注意力和压缩记忆机制，以增量方式更新和检索固定数量的记忆参数。

表1突出了Infini-Transformer在内存效率方面的优势，它通过压缩记忆机制实现了对长序列的有效处理，同时保持了较低的内存占用。这使得Infini-Transformer在处理长序列任务时，如长上下文语言建模和书籍摘要，具有显著的性能优势。

表2

在长上下文语言建模任务中，不同模型之间的性能比较，特别是在平均token级困惑度（average token-level perplexity）方面的表现。困惑度是衡量语言模型预测序列中下一个词的不确定性的指标，困惑度越低，表示模型对数据的预测越准确，性能越好。表2中列出了几种不同的模型配置，并展示了它们在不同长度序列上的表现。

表2中的数据表明，Infini-Transformer在长上下文语言建模任务上取得了优于Transformer-XL和Memorizing Transformers的结果，同时保持了更低的内存占用。此外，Infini-Transformer的两种配置（线性和线性+Delta）都显示出了良好的性能，其中线性+Delta配置可能是指在线性注意力机制的基础上增加了Delta规则，以进一步优化记忆更新过程。这些结果强调了Infini-Transformer在处理长序列数据时的有效性和效率。

总结来说，Infini-Transformer在处理长上下文语言建模任务时，不仅在预测准确性上超越了Memorizing Transformers，而且还大幅提高了内存使用效率，实现了显著的压缩比。这表明Infini-Transformer是一种非常适合处理长文本序列的高效模型。

表3

表3展示了Infini-Transformer在处理长序列的密钥检索任务时的性能。这个任务的目标是从一段很长的文本中检索出一个隐藏的密钥（passkey）。表中列出了不同模型配置在不同长度的输入序列上的表现，包括零次准确率（Zero-shot accuracy）和经过微调（Fine-tuning, FT）后的准确率。

表3中的数据表明，Infini-Transformer在处理长序列密钥检索任务时具有很好的性能，尤其是经过微调后，准确率得到了显著提升。此外，模型能够在不同位置准确地检索出密钥，这表明了其对长序列中信息的强大记忆和检索能力。这些结果进一步证实了Infini-Transformer在处理长序列任务方面的有效性。

表4

表4展示了Infini-Transformer在500K长度书籍摘要（BookSum）任务上的性能结果。这个任务的目标是生成一整本书的摘要。表中列出了不同模型的Rouge分数，这是一种常用的自然语言生成任务的评估指标，用于衡量生成文本与参考文本的重叠程度。Rouge分数越高，表示生成的摘要质量越好。表中比较了Infini-Transformer与其他几种模型的性能。

表4数据表明，Infini-Transformer在长序列的书籍摘要任务上具有很好的性能，能够生成高质量的摘要文本。此外，增加Delta规则的配置（Linear + Delta）在某些情况下能够进一步提升模型的性能。这些结果进一步证实了Infini-Transformer在处理长文本和生成任务方面的有效性和优越性。

图5 输入长度对rouge分数影响

图5在论文中展示了Infini-Transformer在500K长度书籍摘要（BookSum）任务上的性能趋势，特别是在提供不同数量的书籍文本作为输入时的Rouge总分变化。Rouge总分是评估文本摘要质量的一个指标，它衡量生成摘要与参考摘要之间的重叠程度。

图5通过直观地展示了输入长度对模型性能的影响，强调了Infini-Transformer能够有效地利用大量输入文本信息来生成高质量的摘要。这种趋势也验证了Infini-attention机制在处理长序列数据时的有效性，特别是在需要理解和生成长文本内容的应用场景中。通过图4，我们可以得出结论，Infini-Transformer是一个强大的模型，适用于需要处理和生成长文本序列的任务。

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