机器翻译之Facebook的CNN与Google的Attention

机器翻译的常用架构是seq2seq，可是seq2seq中的核心模型RNN是序列模型，后面的计算依赖于前面的计算，如何并行提高效率很是苦恼。最近，Facebook和Google的研究人员分别尝试用CNN与Attention代替seq2seq进行机器翻译，提高了训练效率，结构与思想也很予人启迪。

传统的seq2seq

传统seq2seq训练结构如上图，采用两个RNN，分别作为encoder和decoder。seq2seq的一些改进如下：

• decoder中增加更多的信息：decoder中$h^t$除了依赖$h_{t-1}, x^t$，还依赖于enc_state。
• 使用attention机制。

facebook的cnn

结构

其结构如上面2图所示，具体地：

1. 输入序列大小为【m】
2. 对输入序列做position embedding，得到【m，e_m】
3. 对position embedding做卷积，得到【2m，e_m】
4. 卷积后通过Gated Linear Units，得到【m，e_m】
5. 重复3-4，stack起来，得到【m，e_m】
6. 对输出序列重复2-5，得到【n，e_n】
7. 对5，6中的数据做点乘，得到中间的矩阵【m，n】，代表了attention的分数信息
8. 上文信息，通过卷积前（细节信息）和卷积后（主旨信息）的信息和获得【m，e_m】。
9. 有了上文信息【m，e_m】和attention【m，n】信息，便可以获得输出序列中每个词对应的上文特征【n，e_m】
10. 将输出序列的上文特征【n，e_m】与输出序列的卷积特征【n，e_n】组合，加入全连接，加入softmax层即可构建损失函数进行训练。

特点

position embedding

position embedding，在词向量中潜入了位置信息。

卷积的引入

首先，简单描述下文中的卷积，假设原数据大小$X \in \mathbb{R}^{k*d}$（k个数据，embeding的维度是d），每个卷积核参数化$W \in \mathbb{R}^{2d*kd}$，卷积后得到的结果是$\mathbb{R}^{2d}$。padding合适的化，最后得到$\mathbb{R}^{2k*d}$。

卷积的引入，有以下几个优点：

• 使计算可以做并行化
• 卷积层可以stack起来，不同的层的可视域不同，底层的是细节信息，高层的是全局信息。
• 效率高，对序列长度n的序列建模，rnn的操作是$O(n)$，CNN的操作是$O(\log(n)$。

GLU控制信息的流动

GLU的公式如下：

卷积出来的数据【2m，e_m】对应【A，B】，通过GLU便恢复了原数据形状【m，e_m】。同时GLU中的A控制信息，B相当于开关控制着有效信息的流动。

attention

attention的分数矩阵，是输入、输出序列通过多个卷积stack起来获得的，每个词的可视域通过CNN自然地扩增了。

attention的上文信息，通过低层的CNN和高层的CNN组合获得， 反映了词的细节信息和全局主旨信息。

google的attention

结构

特点

K,V,Q的思维架构

本文提出了一种key、value、pair的计算attention的架构，结构与思路如上图所示。首先，通过Query和Key矩阵计算每个quiry对应的key的匹配程度，然后根据匹配程度将Value矩阵中的元素组合起来。

multi-head attention

通过一个全连接层，可以将K、V、Q映射到维度较低的子空间，然后在不同的子空间进行attention的计算。这样做有如下优点：

• 子空间维度较低，不增加计算量
• 有利于并行化
• 不同的子空间捕获不同的特征

attention的多种应用

结构中共出现了3出attention：

• encoder-decoder attention，K、V来自encoder，Q来自decoder，作用与传统的seq2seq相似，decoder根据不同的位置捕获encoder不同位置的信息。
• encoder self-attention。K、V、Q来自同一位置，encoder的每一个位置都捕获所有位置的信息。
• decoder self-attention，K、V、Q来自同一位置，decoder的每一个位置都捕获该位置前所有位置的信息（通过mask实现）。

参考资料

1. Convolutional Sequence to Sequence Learning
2. Attention Is All You Need