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【精讀】Transformer模型深度解讀

本文作者: AI研習(xí)社-譯站 2020-09-25 11:40
導(dǎo)語(yǔ):希望這段代碼對(duì)以后的研究有用。

【精讀】Transformer模型深度解讀

字幕組雙語(yǔ)原文:【精讀】Transformer模型深度解讀

英語(yǔ)原文:The Annotated Transformer

翻譯:雷鋒字幕組(Icarus、


from IPython.display import
Image Image(filename='images/aiayn.png')


【精讀】Transformer模型深度解讀

在過(guò)去的一年里,《注意力就是你所需要的》中的Transformer被很多人所關(guān)注。除了在翻譯質(zhì)量上產(chǎn)生重大改進(jìn)外,它還為許多其他NLP任務(wù)提供了一個(gè)新的架構(gòu)。這篇論文本身寫得非常清楚,但傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是,它的正確實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。

在這篇文章中,我以逐行實(shí)現(xiàn)的形式呈現(xiàn)了論文的 "注釋 "版本。我對(duì)原論文中的一些章節(jié)進(jìn)行了重新排序和刪除,并在全文中添加了注釋。這個(gè)文檔本身就是一個(gè)工作筆記,應(yīng)該是一個(gè)完全可用的實(shí)現(xiàn)??偣灿?00行庫(kù)代碼,可以在4個(gè)GPU上每秒處理27000個(gè)token。

要想跟上,你首先需要安裝PyTorch。完整的筆記本也可以在github或Google Colab上使用免費(fèi)的GPU。

請(qǐng)注意,這僅僅是研究人員和感興趣的開(kāi)發(fā)人員的一個(gè)起點(diǎn)。這里的代碼主要基于我們的OpenNMT包。(如果有幫助,請(qǐng)自由引用。)對(duì)于其他模型的全服務(wù)實(shí)現(xiàn),請(qǐng)查看Tensor2Tensor (tensorflow)和Sockeye (mxnet)。

Alexander Rush (@harvardnlp 或 srush@seas.harvard.edu),得到Vincent Nguyen和Guillaume Klein的幫助。

預(yù)先設(shè)置

# !pip install http://download.pytorch.org/whl/cu80/torch-0.3.0.post4-cp36-cp36m-linux_x86_64.whl numpy matplotlib spacy torchtext seaborn


import numpy as np import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F import math, copy, time from torch.autograd import Variable import matplotlib.pyplot as plt import seaborn 
seaborn.set_context(context="talk") 
%matplotlib inline

目錄

  • Prelims

  • 背景資料

  • 模型結(jié)構(gòu)

        編碼器

        解碼器

        注意事項(xiàng)

        注意力在我們的模型中的應(yīng)用

        編碼器和解碼器堆棧

        位置導(dǎo)向的前饋網(wǎng)絡(luò)

        嵌入和Softmax

        位置編碼

        完整模型

  • 訓(xùn)練

        標(biāo)簽平滑化

        批量和遮蔽

        訓(xùn)練回路

        硬件和時(shí)間表

        優(yōu)化器

        正規(guī)化

  • 第一個(gè)例子

        合成數(shù)據(jù)

        損失計(jì)算

        greedy解碼

  • 一個(gè)現(xiàn)實(shí)例子

        加載數(shù)據(jù)

        迭代器

        多GPU訓(xùn)練

        訓(xùn)練系統(tǒng)

        附加組件:BPE、搜索、平均值

  • 結(jié)果

        注意力可視化

  • 結(jié)論

背景資料

減少順序計(jì)算的目標(biāo)也構(gòu)成了擴(kuò)展神經(jīng)GPU、ByteNet和ConvS2S的基礎(chǔ),它們都使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基本構(gòu)件,對(duì)所有輸入和輸出位置并行計(jì)算隱藏表示。在這些模型中,將兩個(gè)任意輸入或輸出位置的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)所需的運(yùn)算次數(shù)隨著位置之間的距離而增長(zhǎng),對(duì)于ConvS2S來(lái)說(shuō)是線性的,對(duì)于ByteNet來(lái)說(shuō)是對(duì)數(shù)的。這使得學(xué)習(xí)遠(yuǎn)距離位置之間的依賴關(guān)系變得更加困難。在Transformer中,這種情況被減少到了一個(gè)恒定的操作次數(shù),盡管代價(jià)是由于注意力加權(quán)位置的平均化而導(dǎo)致有效分辨率的降低,我們用多頭注意力來(lái)抵消這種影響。

自注意,有時(shí)也被稱為內(nèi)注意,是一種將單個(gè)序列的不同位置聯(lián)系起來(lái)以計(jì)算序列的表示的注意機(jī)制。自我注意已被成功地應(yīng)用于各種任務(wù)中,包括閱讀理解、抽象概括、文本內(nèi)涵和學(xué)習(xí)任務(wù)無(wú)關(guān)的句子表征。端到端記憶網(wǎng)絡(luò)是基于循環(huán)注意機(jī)制而不是序列對(duì)齊的循環(huán),并且已經(jīng)被證明在簡(jiǎn)單語(yǔ)言問(wèn)題回答和語(yǔ)言建模任務(wù)上表現(xiàn)良好。

然而,據(jù)我們所知,Transformer是第一個(gè)完全依靠自我注意力來(lái)計(jì)算其輸入和輸出的表征,而不使用序列對(duì)齊的RNNs或卷積的轉(zhuǎn)換模型。

模型結(jié)構(gòu)

大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)性神經(jīng)序列轉(zhuǎn)導(dǎo)模型都有一個(gè)編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)(cite)。在這里,編碼器將輸入的符號(hào)表示序列(x1,...,xn)映射為連續(xù)表示序列z=(z1,...,zn)。在給定z的情況下,解碼器每次生成一個(gè)符號(hào)的輸出序列(y1,...,ym)。在每一步中,該模型都是自動(dòng)遞減的(cite),在生成下一個(gè)符號(hào)時(shí),消耗之前生成的符號(hào)作為額外的輸入。

def __init__(self, encoder, decoder, src_embed, tgt_embed, generator):        
       super(EncoderDecoder, self).__init__()        
       self.encoder = encoder        
       self.decoder = decoder        
       self.src_embed = src_embed        
       self.tgt_embed = tgt_embed        
       self.generator = generator              
   def forward(self, src, tgt, src_mask, tgt_mask):        
   "Take in and process masked src and target sequences."        
   return self.decode(self.encode(src, src_mask), src_mask,                            
                       tgt, tgt_mask)          
   def encode(self, src, src_mask):        
       return self.encoder(self.src_embed(src), src_mask)          
       
   def decode(self, memory, src_mask, tgt, tgt_mask):        
       return self.decoder(self.tgt_embed(tgt), memory, src_mask, tgt_mask)

        

 class Generator(nn.Module):    
   "Define standard linear + softmax generation step."    
   def __init__(self, d_model, vocab):        
       super(Generator, self).__init__()        
       self.proj = nn.Linear(d_model, vocab)    
   def forward(self, x):        
       return F.log_softmax(self.proj(x), dim=-1)



Transformer沿用了這種整體架構(gòu),編碼器和解碼器都采用堆疊式自關(guān)注和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的全連接層,分別如圖1的左半部分和右半部分所示。

Image(filename='images/ModalNet-21.png')


【精讀】Transformer模型深度解讀

編碼器和解碼器堆棧

編碼器

編碼器是由N=6個(gè)相同的層組成的堆棧。

def clones(module, N):    
   "Produce N identical layers."    
   return nn.ModuleList([copy.deepcopy(module) for _ in range(N)])
class Encoder(nn.Module):    
   "Core encoder is a stack of N layers"    
   def __init__(self, layer, N):        
       super(Encoder, self).__init__()        
       self.layers = clones(layer, N)        
       self.norm = LayerNorm(layer.size)              
   def forward(self, x, mask):        
       "Pass the input (and mask) through each layer in turn."        
       for layer in self.layers:            
           x = layer(x, mask)        
       return self.norm(x)


我們?cè)趦蓚€(gè)子層周圍分別采用殘差連接(cite),然后進(jìn)行層歸一化(cite)。

class LayerNorm(nn.Module):    
   "Construct a layernorm module (See citation for details)."    
   def __init__(self, features, eps=1e-6):        
       super(LayerNorm, self).__init__()        
       self.a_2 = nn.Parameter(torch.ones(features))        
       self.b_2 = nn.Parameter(torch.zeros(features))        
       self.eps = eps    
   def forward(self, x):        
       mean = x.mean(-1, keepdim=True)        
       std = x.std(-1, keepdim=True)        
       return self.a_2 * (x - mean) / (std + self.eps) + self.b_2


也就是說(shuō),每個(gè)子層的輸出是LayerNorm(x+Sublayer(x)),其中Sublayer(x)是子層自己實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。我們?cè)诿總€(gè)子層的輸出中應(yīng)用dropout(引用),然后再加到子層的輸入中并進(jìn)行歸一化。

為了方便這些殘差連接,模型中的所有子層以及嵌入層都會(huì)產(chǎn)生維度為dmodel=512dmodel=512的輸出。

class SublayerConnection(nn.Module):    
   """    
   A residual connection followed by a layer norm.    
   Note for code simplicity the norm is first as opposed to last.    
   """    
   def __init__(self, size, dropout):        
       super(SublayerConnection, self).__init__()        
       self.norm = LayerNorm(size)        
       self.dropout = nn.Dropout(dropout)    
   def forward(self, x, sublayer):        
       "Apply residual connection to any sublayer with the same size."        
       return x + self.dropout(sublayer(self.norm(x)))


每層有兩個(gè)子層。第一層是一個(gè)多頭自注意機(jī)制,第二層是一個(gè)簡(jiǎn)單的、基于位置的全連接前饋網(wǎng)絡(luò)。

class EncoderLayer(nn.Module):    
   "Encoder is made up of self-attn and feed forward (defined below)"    
   def __init__(self, size, self_attn, feed_forward, dropout):        
       super(EncoderLayer, self).__init__()        
       self.self_attn = self_attn        
       self.feed_forward = feed_forward        
       self.sublayer = clones(SublayerConnection(size, dropout), 2)        
       self.size = size    
   def forward(self, x, mask):        
       "Follow Figure 1 (left) for connections."        
       x = self.sublayer[0](x, lambda x: self.self_attn(x, x, x, mask))        
       return self.sublayer[1](x, self.feed_forward)


解碼器

解碼器也是由N=6層相同的堆棧組成。

class Decoder(nn.Module):    
   "Generic N layer decoder with masking."    
   def __init__(self, layer, N):        
       super(Decoder, self).__init__()        
       self.layers = clones(layer, N)        
       self.norm = LayerNorm(layer.size)              
   def forward(self, x, memory, src_mask, tgt_mask):        
       for layer in self.layers:            
           x = layer(x, memory, src_mask, tgt_mask)        
       return self.norm(x)


除了每個(gè)編碼器層中的兩個(gè)子層外,解碼器還插入了第三個(gè)子層,它在編碼器堆棧的輸出上執(zhí)行多頭關(guān)注。與編碼器類似,我們?cè)诿總€(gè)子層周圍采用殘余連接,然后進(jìn)行層歸一化。

class DecoderLayer(nn.Module):    
   "Decoder is made of self-attn, src-attn, and feed forward (defined below)"    
       def __init__(self, size, self_attn, src_attn, feed_forward, dropout):        
       super(DecoderLayer, self).__init__()        
       self.size = size        
       self.self_attn = self_attn        
       self.src_attn = src_attn        
       self.feed_forward = feed_forward        
       self.sublayer = clones(SublayerConnection(size, dropout), 3)      
   def forward(self, x, memory, src_mask, tgt_mask):        
       "Follow Figure 1 (right) for connections."        
       m = memory        
       x = self.sublayer[0](x, lambda x: self.self_attn(x, x, x, tgt_mask))        
       x = self.sublayer[1](x, lambda x: self.src_attn(x, m, m, src_mask))        
        return self.sublayer[2](x, self.feed_forward)


我們還修改了解碼器堆棧中的自注意力子層,以防止位置對(duì)后續(xù)位置的關(guān)注。這種遮蔽,加上輸出嵌入偏移這一個(gè)位置的事實(shí),確保位置ii的預(yù)測(cè)只能依賴于小于i的這個(gè)位置的已知輸出。

def subsequent_mask(size):    
   "Mask out subsequent positions."    
   attn_shape = (1, size, size)    
   subsequent_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1).astype('uint8')    
   return torch.from_numpy(subsequent_mask) == 0


筆者注:注意力掩碼下方顯示了每個(gè)tgt詞(行)被允許看的位置(列)。在訓(xùn)練過(guò)程中,單詞會(huì)被屏蔽,以便關(guān)注之后的單詞。

plt.figure(figsize=(5,5))
plt.imshow(subsequent_mask(20)[0])
None


【精讀】Transformer模型深度解讀

注意事項(xiàng)

注意函數(shù)可以描述為將一個(gè)查詢和一組鍵值對(duì)映射到一個(gè)輸出,其中查詢、鍵、值和輸出都是向量。輸出是以值的加權(quán)和來(lái)計(jì)算的,其中分配給每個(gè)值的權(quán)重是由查詢與對(duì)應(yīng)鍵的兼容性函數(shù)計(jì)算出來(lái)的。我們把我們的特殊注意力稱為 "Scaled Dot-Product注意力"。輸入由維度為dk的查詢和鍵,以及維度為dv的值組成。我們計(jì)算查詢與所有鍵的點(diǎn)積,每一個(gè)點(diǎn)積除以√dk,然后應(yīng)用一個(gè)softmax函數(shù)來(lái)獲得值的權(quán)重。

Image(filename='images/ModalNet-19.png')


【精讀】Transformer模型深度解讀

在實(shí)際應(yīng)用中,我們對(duì)一組查詢同時(shí)計(jì)算關(guān)注函數(shù),打包成一個(gè)矩陣QQ。鍵和值也一起打包成矩陣KK和VV。我們計(jì)算輸出的矩陣為:

【精讀】Transformer模型深度解讀

def attention(query, key, value, mask=None, dropout=None):    
   "Compute 'Scaled Dot Product Attention'"    
       d_k = query.size(-1)    
       scores = torch.matmul(query, key.transpose(-2, -1)) \              
               / math.sqrt(d_k)    
   if mask is not None:        
       scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9)    
       p_attn = F.softmax(scores, dim = -1)    
   if dropout is not None:        
       p_attn = dropout(p_attn)    
   return torch.matmul(p_attn, value), p_attn


最常用的兩個(gè)注意力函數(shù)是加法注意力(cite),和點(diǎn)積(乘法)注意力。點(diǎn)積注意力除了縮放因子為1/√dk外,與我們的算法相同。加法注意力使用單層隱藏層的前饋網(wǎng)絡(luò)計(jì)算兼容性函數(shù)。雖然兩者在理論復(fù)雜度上相似,但點(diǎn)積注意力在實(shí)踐中更快,更節(jié)省空間,因?yàn)樗梢允褂酶叨葍?yōu)化的矩陣乘法代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雖然對(duì)于dk的小值,兩種機(jī)制的表現(xiàn)相似,但對(duì)于dk的大值,加法注意力的表現(xiàn)優(yōu)于點(diǎn)積注意力,而沒(méi)有縮放(引用)。我們懷疑,對(duì)于dk的大值,點(diǎn)積的幅度會(huì)變大,將softmax函數(shù)推到它的梯度極小的區(qū)域(為了說(shuō)明點(diǎn)積為什么會(huì)變大,假設(shè)qq和kk的分量是均值00、方差11的獨(dú)立隨機(jī)變量。那么它們的點(diǎn)積q?k=∑dki=1qiki,其均值為00,方差為dk)。

為了抵消這種影響,我們將點(diǎn)乘積的比例為1/√dk。

Image(filename='images/ModalNet-20.png')


【精讀】Transformer模型深度解讀

多頭注意使模型能夠共同注意來(lái)自不同位置的不同表征子空間的信息。在單注意頭的情況下,平均化會(huì)抑制這一點(diǎn)。

【精讀】Transformer模型深度解讀

其中,投影為參數(shù)矩陣

【精讀】Transformer模型深度解讀

【精讀】Transformer模型深度解讀

在這項(xiàng)工作中,我們采用了h=8h=8個(gè)平行的注意層,或者說(shuō)頭。對(duì)于其中的每一個(gè)層,我們使用 :

【精讀】Transformer模型深度解讀

由于每個(gè)頭的維度減少,總的計(jì)算成本與全維度的單頭注意力相似。

class MultiHeadedAttention(nn.Module):    
   def __init__(self, h, d_model, dropout=0.1):        
       "Take in model size and number of heads."        
       super(MultiHeadedAttention, self).__init__()        
       assert d_model % h == 0        
       # We assume d_v always equals d_k        
       self.d_k = d_model // h        
       self.h = h        
       self.linears = clones(nn.Linear(d_model, d_model), 4)        
       self.attn = None        
       self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)              
   def forward(self, query, key, value, mask=None):        
       "Implements Figure 2"        
       if mask is not None:            
           # Same mask applied to all h heads.            
           mask = mask.unsqueeze(1)        
        nbatches = query.size(0)                  
   # 1) Do all the linear projections in batch from d_model => h x d_k          
       query, key, value = \            
           [l(x).view(nbatches, -1, self.h, self.d_k).transpose(1, 2)              
           for l, x in zip(self.linears, (query, key, value))]                  
   # 2) Apply attention on all the projected vectors in batch.          
       x, self.attn = attention(query, key, value, mask=mask,                                  
                                dropout=self.dropout)                  
   # 3) "Concat" using a view and apply a final linear.          
       x = x.transpose(1, 2).contiguous() \              
           .view(nbatches, -1, self.h * self.d_k)
   return self.linears[-1](x)


注意力在我們的模型中的應(yīng)用

Transformer以三種不同的方式使用多頭注意:

1. 在 "編碼器-解碼器關(guān)注 "層中,查詢來(lái)自前一個(gè)解碼器層,而內(nèi)存鍵和值來(lái)自編碼器的輸出。這使得解碼器中的每個(gè)位置都能在輸入序列的所有位置上進(jìn)行關(guān)注。這模仿了序列到序列模型中典型的編碼器-解碼器的注意機(jī)制,如(引用)。

2. 編碼器包含自注意層。在自注意層中,所有的鍵、值和查詢都來(lái)自同一個(gè)地方,在這種情況下,就是編碼器中上一層的輸出。編碼器中的每個(gè)位置都可以參加編碼器前一層的所有位置。

3. 同樣,解碼器中的自注意層允許解碼器中的每個(gè)位置都可以參加解碼器中的所有位置,直到并包括該位置。我們需要防止解碼器中的左向信息流,以保持自動(dòng)遞減特性。我們通過(guò)屏蔽(設(shè)置為-∞)softmax的輸入中所有對(duì)應(yīng)非法連接的值,在scaled dot- product attention里面實(shí)現(xiàn)。

位置導(dǎo)向的前饋網(wǎng)絡(luò)

除了注意力子層,我們的編碼器和解碼器中的每個(gè)層都包含一個(gè)完全連接的前饋網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)分別和相同地應(yīng)用于每個(gè)位置。這包括兩個(gè)線性變換,中間有一個(gè)ReLU激活。

【精讀】Transformer模型深度解讀

雖然不同位置的線性變換是相同的,但它們?cè)趯优c層之間使用不同的參數(shù)。另一種描述方式是內(nèi)核大小為1的兩個(gè)卷積。輸入和輸出的維度為dmodel=512,內(nèi)層的維度為dff=2048。

class PositionwiseFeedForward(nn.Module):    
   "Implements FFN equation."    
   def __init__(self, d_model, d_ff, dropout=0.1):        
       super(PositionwiseFeedForward, self).__init__()        
       self.w_1 = nn.Linear(d_model, d_ff)        
       self.w_2 = nn.Linear(d_ff, d_model)        
       self.dropout = nn.Dropout(dropout)    
   def forward(self, x):        
       return self.w_2(self.dropout(F.relu(self.w_1(x))))

嵌入和Softmax

與其他序列轉(zhuǎn)導(dǎo)模型類似,我們使用學(xué)習(xí)的嵌入將輸入令牌和輸出令牌轉(zhuǎn)換為維數(shù)dmodel的向量。我們還使用通常的學(xué)習(xí)線性變換和softmax函數(shù)將解碼器輸出轉(zhuǎn)換為預(yù)測(cè)的下一個(gè)標(biāo)記概率。在我們的模型中,我們?cè)趦蓚€(gè)嵌入層和預(yù)softmax線性變換之間共享相同的權(quán)重矩陣,類似于(引用)。在嵌入層中,我們將這些權(quán)重乘以√dmodel。

class Embeddings(nn.Module):    
   def __init__(self, d_model, vocab):        
       super(Embeddings, self).__init__()        
       self.lut = nn.Embedding(vocab, d_model)        
       self.d_model = d_model    
   def forward(self, x):        
       return self.lut(x) * math.sqrt(self.d_model)


位置編碼

由于我們的模型不包含遞歸和卷積,為了使模型能夠利用序列的順序,我們必須注入一些關(guān)于序列中標(biāo)記的相對(duì)或絕對(duì)位置的信息。為此,我們?cè)诰幋a器和解碼器堆棧底部的輸入嵌入中加入 "位置編碼"。位置編碼與嵌入的維度dmodel相同,因此兩者可以相加。位置編碼有很多選擇,有學(xué)習(xí)的和固定的(引用)。

在本工作中,我們使用不同頻率的正弦和余弦函數(shù)。

【精讀】Transformer模型深度解讀

【精讀】Transformer模型深度解讀

其中pos是位置,i是維度。即位置編碼的每個(gè)維度對(duì)應(yīng)一個(gè)正弦波。波長(zhǎng)形成從2π到10000?2π的幾何級(jí)數(shù)。我們選擇這個(gè)函數(shù)是因?yàn)槲覀兗僭O(shè)它可以讓模型很容易地學(xué)會(huì)通過(guò)相對(duì)位置來(lái)參加,因?yàn)閷?duì)于任何固定的偏移量k,PEpos+k可以表示為PEpos的線性函數(shù)。

此外,我們對(duì)編碼器和解碼器堆棧中的嵌入和位置編碼的總和應(yīng)用了 dropout。對(duì)于基礎(chǔ)模型,我們使用Pdrop=0.1的速率。

class PositionalEncoding(nn.Module):    
   "Implement the PE function."    
   def __init__(self, d_model, dropout, max_len=5000):        
       super(PositionalEncoding, self).__init__()        
       self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)                  
   # Compute the positional encodings once in log space.        
       pe = torch.zeros(max_len, d_model)        
       position = torch.arange(0, max_len).unsqueeze(1)        
       div_term = torch.exp(torch.arange(0, d_model, 2) *                              
                           -(math.log(10000.0) / d_model))        
       pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)        
       pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)        
       pe = pe.unsqueeze(0)        
       self.register_buffer('pe', pe)              
   def forward(self, x):        
       x = x + Variable(self.pe[:, :x.size(1)],                          
                        requires_grad=False)        
       return self.dropout(x)


下面的位置編碼會(huì)根據(jù)位置加入一個(gè)正弦波。每個(gè)維度的波的頻率和偏移量是不同的。

plt.figure(figsize=(15, 5))
pe = PositionalEncoding(20, 0)
y = pe.forward(Variable(torch.zeros(1, 100, 20)))
plt.plot(np.arange(100), y[0, :, 4:8].data.numpy())
plt.legend(["dim %d"%p for p in [4,5,6,7]])
None


【精讀】Transformer模型深度解讀

我們還試驗(yàn)了使用學(xué)習(xí)的位置嵌入(cite)來(lái)代替,并發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)版本產(chǎn)生的結(jié)果幾乎是相同的。我們選擇了正弦版本,因?yàn)樗赡茉试S模型外推到比訓(xùn)練過(guò)程中遇到的序列長(zhǎng)度更長(zhǎng)的序列。

完整模型

在這里,我們定義了一個(gè)函數(shù),它可以接受超參數(shù)并產(chǎn)生一個(gè)完整的模型。

def make_model(src_vocab, tgt_vocab, N=6,                
               d_model=512, d_ff=2048, h=8, dropout=0.1):    
   "Helper: Construct a model from hyperparameters."    
   c = copy.deepcopy    
   attn = MultiHeadedAttention(h, d_model)    
   ff = PositionwiseFeedForward(d_model, d_ff, dropout)    
   position = PositionalEncoding(d_model, dropout)    
   model = EncoderDecoder(        
       Encoder(EncoderLayer(d_model, c(attn), c(ff), dropout), N),        
       Decoder(DecoderLayer(d_model, c(attn), c(attn),                              
       c(ff), dropout), N),        
       nn.Sequential(Embeddings(d_model, src_vocab), c(position)),        
       nn.Sequential(Embeddings(d_model, tgt_vocab), c(position)),        
       Generator(d_model, tgt_vocab))          
   # This was important from their code.      
   # Initialize parameters with Glorot / fan_avg.    
   for p in model.parameters():        
       if p.dim() > 1:            
       nn.init.xavier_uniform(p)    
   return model


# Small example model.
tmp_model = make_model(10, 10, 2)
None


訓(xùn)練

本節(jié)介紹了我們模型的訓(xùn)練制度。

筆者注:我們停下來(lái)做一個(gè)快速的插曲,介紹一些訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)編碼器解碼器模型所需的工具。首先,我們定義了一個(gè)批處理對(duì)象,它保存了用于訓(xùn)練的src和目標(biāo)句子,以及構(gòu)建掩碼。

批量和屏蔽

class Batch:    
   "Object for holding a batch of data with mask during training."    
   def __init__(self, src, trg=None, pad=0):        
   self.src = src        
       self.src_mask = (src != pad).unsqueeze(-2)        
       if trg is not None:            
       self.trg = trg[:, :-1]            
       self.trg_y = trg[:, 1:]            
       self.trg_mask = \                
       self.make_std_mask(self.trg, pad)            
       self.ntokens = (self.trg_y != pad).data.sum()          
   @staticmethod    
   def make_std_mask(tgt, pad):        
       "Create a mask to hide padding and future words."        
       tgt_mask = (tgt != pad).unsqueeze(-2)        
       tgt_mask = tgt_mask & Variable(            
       subsequent_mask(tgt.size(-1)).type_as(tgt_mask.data))        
       return tgt_mask


筆者注:接下來(lái)我們創(chuàng)建一個(gè)通用的訓(xùn)練和評(píng)分函數(shù)來(lái)跟蹤損失。我們傳遞了一個(gè)通用的損失計(jì)算函數(shù),它也處理參數(shù)更新。


訓(xùn)練循環(huán)

def run_epoch(data_iter, model, loss_compute):    
   "Standard Training and Logging Function"    
   start = time.time()    
   total_tokens = 0    
   total_loss = 0    
   tokens = 0    
   for i, batch in enumerate(data_iter):        
       out = model.forward(batch.src, batch.trg,                              
       batch.src_mask, batch.trg_mask)        
       loss = loss_compute(out, batch.trg_y, batch.ntokens)        
       total_loss += loss        
       total_tokens += batch.ntokens        
       tokens += batch.ntokens        
       if i % 50 == 1:            
           elapsed = time.time() - start            
           print("Epoch Step: %d Loss: %f Tokens per Sec: %f" %                    
                   (i, loss / batch.ntokens, tokens / elapsed))            
           start = time.time()            
           tokens = 0    
   return total_loss / total_tokens


訓(xùn)練數(shù)據(jù)和批處理

我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)的WMT 2014英德數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了訓(xùn)練,該數(shù)據(jù)集由大約450萬(wàn)句子對(duì)組成。句子使用字節(jié)對(duì)編碼,其共享的源-目標(biāo)詞匯約為37000個(gè)tokens。對(duì)于英語(yǔ)-法語(yǔ),我們使用了明顯更大的WMT 2014英法數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集由36M句子組成,并將tokens拆分為32000個(gè)詞片詞匯。

句子對(duì)被按近似序列長(zhǎng)度分批在一起。每個(gè)訓(xùn)練批次都包含一組句子對(duì),包含大約25000個(gè)源標(biāo)記和25000個(gè)目標(biāo)標(biāo)記。  

筆者注:我們將使用火炬文本進(jìn)行批處理。這將在下面詳細(xì)討論。在這里,我們?cè)趖orchtext函數(shù)中創(chuàng)建批處理,以確保我們的批處理大小墊到最大batchsize不超過(guò)一個(gè)閾值(25000,如果我們有8個(gè)gpus)。

global max_src_in_batch, max_tgt_in_batch def batch_size_fn(new, count, sofar):     "Keep augmenting batch and calculate total number of tokens + padding."     global max_src_in_batch, max_tgt_in_batch     if count == 1:         max_src_in_batch = 0         max_tgt_in_batch = 0     max_src_in_batch = max(max_src_in_batch,  len(new.src))     max_tgt_in_batch = max(max_tgt_in_batch,  len(new.trg) + 2)     src_elements = count * max_src_in_batch     tgt_elements = count * max_tgt_in_batch     return max(src_elements, tgt_elements)


硬件和時(shí)間表

我們?cè)谝慌_(tái)擁有8個(gè)NVIDIA P100 GPU的機(jī)器上訓(xùn)練我們的模型。對(duì)于我們的基礎(chǔ)模型,使用本文中描述的超參數(shù),每個(gè)訓(xùn)練步驟大約需要0.4秒。我們總共訓(xùn)練了100,000步或12小時(shí)的基礎(chǔ)模型。對(duì)于我們的大模型,步長(zhǎng)為1.0秒。大模型的訓(xùn)練時(shí)間為30萬(wàn)步(3.5天)。

優(yōu)化器

我們使用了Adam優(yōu)化器(引用),β1=0.9,β2=0.98,?=10^-9。我們根據(jù)公式,在訓(xùn)練過(guò)程中改變學(xué)習(xí)率。

【精讀】Transformer模型深度解讀

這相當(dāng)于對(duì)第一個(gè)warmupstepswarmupsteps訓(xùn)練步數(shù)線性增加學(xué)習(xí)率,此后按步數(shù)的倒平方根按比例減少。我們使用warmupsteps=4000。

注意:這部分非常重要。需要用這個(gè)設(shè)置的模型進(jìn)行訓(xùn)練。 

class NoamOpt:    
   "Optim wrapper that implements rate."    
   def __init__(self, model_size, factor, warmup, optimizer):        
       self.optimizer = optimizer        
       self._step = 0        
       self.warmup = warmup        
       self.factor = factor        
       self.model_size = model_size        
       self._rate = 0              
   def step(self):        
       "Update parameters and rate"        
       self._step += 1        
       rate = self.rate()        
       for p in self.optimizer.param_groups:            
       p['lr'] = rate        
       self._rate = rate        
       self.optimizer.step()              
   def rate(self, step = None):        
       "Implement `lrate` above"        
       if step is None:            
       step = self._step        
       return self.factor * \            
       (self.model_size ** (-0.5) *            
       min(step ** (-0.5), step * self.warmup ** (-1.5)))          
def get_std_opt(model):    
   return NoamOpt(model.src_embed[0].d_model, 2, 4000,            
       torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0, betas=(0.9, 0.98), eps=1e-9))


該模型在不同模型大小和優(yōu)化超參數(shù)下的曲線示例。

# Three settings of the lrate hyperparameters.
opts = [NoamOpt(512, 1, 4000, None),          
       NoamOpt(512, 1, 8000, None),        
       NoamOpt(256, 1, 4000, None)]
plt.plot(np.arange(1, 20000), [[opt.rate(i) for opt in opts] for i in range(1, 20000)])
plt.legend(["512:4000", "512:8000", "256:4000"]) None


【精讀】Transformer模型深度解讀

正規(guī)化

標(biāo)簽平滑化

在訓(xùn)練過(guò)程中,我們采用了價(jià)值?ls=0.1?ls=0.1的標(biāo)簽平滑(引用)。這傷害了迷惑性,因?yàn)槟P蛯W(xué)會(huì)了更多的不確定,但提高了準(zhǔn)確性和BLEU得分。

筆者注:我們使用KL div loss實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽平滑。而不是使用一個(gè)一熱的目標(biāo)分布,我們創(chuàng)建了一個(gè)分布,有信心的正確的單詞和其余的平滑質(zhì)量分布在整個(gè)詞匯。

class LabelSmoothing(nn.Module):    
   "Implement label smoothing."    
   def __init__(self, size, padding_idx, smoothing=0.0):        
       super(LabelSmoothing, self).__init__()        
       self.criterion = nn.KLDivLoss(size_average=False)        
       self.padding_idx = padding_idx        
       self.confidence = 1.0 - smoothing        
       self.smoothing = smoothing        
       self.size = size        
       self.true_dist = None              
   def forward(self, x, target):        
       assert x.size(1) == self.size        
       true_dist = x.data.clone()        
       true_dist.fill_(self.smoothing / (self.size - 2))        
       true_dist.scatter_(1, target.data.unsqueeze(1), self.confidence)        
       true_dist[:, self.padding_idx] = 0        
       mask = torch.nonzero(target.data == self.padding_idx)        
       if mask.dim() > 0:            
           true_dist.index_fill_(0, mask.squeeze(), 0.0)        
       self.true_dist = true_dist        
       return self.criterion(x, Variable(true_dist, requires_grad=False))


在這里,我們可以看到一個(gè)例子,說(shuō)明質(zhì)量是如何根據(jù)置信度分配給單詞的。


# Example of label smoothing.

crit = LabelSmoothing(5, 0, 0.4) predict = torch.FloatTensor([[0, 0.2, 0.7, 0.1, 0],[0, 0.2, 0.7, 0.1, 0],[0, 0.2, 0.7, 0.1, 0]]) v = crit(Variable(predict.log()),         

 Variable(torch.LongTensor([2, 1, 0]))) # Show the target distributions expected by the system.

plt.imshow(crit.true_dist) None


【精讀】Transformer模型深度解讀

標(biāo)簽平滑實(shí)際上是開(kāi)始懲罰模型,如果它對(duì)給定的選擇非常自信的話。

crit = LabelSmoothing(5, 0, 0.1) def loss(x):    
d = x + 3 * 1    
predict = torch.FloatTensor([[0, x / d, 1 / d, 1 / d, 1 / d],                                  ])    
#print(predict)    
return crit(Variable(predict.log()),                  
Variable(torch.LongTensor([1]))).data[0] plt.plot(np.arange(1, 100), [loss(x) for x in range(1, 100)])
None


【精讀】Transformer模型深度解讀

一個(gè)例子

我們可以先嘗試一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)制任務(wù)。從一個(gè)小詞匯中給定一組隨機(jī)的輸入符號(hào),目標(biāo)是生成回這些相同的符號(hào)。

綜合數(shù)據(jù)

def data_gen(V, batch, nbatches):    
   "Generate random data for a src-tgt copy task."    
       for i in range(nbatches):        
       data = torch.from_numpy(np.random.randint(1, V, size=(batch, 10)))        
       data[:, 0] = 1        
       src = Variable(data, requires_grad=False)        
       tgt = Variable(data, requires_grad=False)        
       yield Batch(src, tgt, 0)


損失計(jì)算

class SimpleLossCompute:    
   "A simple loss compute and train function."    
   def __init__(self, generator, criterion, opt=None):        
       self.generator = generator        
       self.criterion = criterion        
       self.opt = opt              
   def __call__(self, x, y, norm):        
       x = self.generator(x)        
       loss = self.criterion(x.contiguous().view(-1, x.size(-1)),                                
       y.contiguous().view(-1)) / norm        
       loss.backward()        
       if self.opt is not None:            
       self.opt.step()            
       self.opt.optimizer.zero_grad()        
       return loss.data[0] * norm


greedy解碼

# Train the simple copy task.
V = 11 criterion = LabelSmoothing(size=V, padding_idx=0, smoothing=0.0)
model = make_model(V, V, N=2)
model_opt = NoamOpt(model.src_embed[0].d_model, 1, 400,        
torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0, betas=(0.9, 0.98), eps=1e-9))
for epoch in range(10):    
   model.train()    
   run_epoch(data_gen(V, 30, 20), model,                
   SimpleLossCompute(model.generator, criterion, model_opt))    
   model.eval()    
   print(run_epoch(data_gen(V, 30, 5), model,                      
   SimpleLossCompute(model.generator, criterion, None)))


Epoch Step: 1 Loss: 3.023465 Tokens per Sec: 403.074173
Epoch Step: 1 Loss: 1.920030 Tokens per Sec: 641.689380
1.9274832487106324
Epoch Step: 1 Loss: 1.940011 Tokens per Sec: 432.003378
Epoch Step: 1 Loss: 1.699767 Tokens per Sec: 641.979665
1.657595729827881
Epoch Step: 1 Loss: 1.860276 Tokens per Sec: 433.320240
Epoch Step: 1 Loss: 1.546011 Tokens per Sec: 640.537198
1.4888023376464843
Epoch Step: 1 Loss: 1.682198 Tokens per Sec: 432.092305
Epoch Step: 1 Loss: 1.313169 Tokens per Sec: 639.441857
1.3485562801361084
Epoch Step: 1 Loss: 1.278768 Tokens per Sec: 433.568756
Epoch Step: 1 Loss: 1.062384 Tokens per Sec: 642.542067
0.9853351473808288
Epoch Step: 1 Loss: 1.269471 Tokens per Sec: 433.388727
Epoch Step: 1 Loss: 0.590709 Tokens per Sec: 642.862135
0.5686767101287842
Epoch Step: 1 Loss: 0.997076 Tokens per Sec: 433.009746
Epoch Step: 1 Loss: 0.343118 Tokens per Sec: 642.288427
0.34273059368133546
Epoch Step: 1 Loss: 0.459483 Tokens per Sec: 434.594030
Epoch Step: 1 Loss: 0.290385 Tokens per Sec: 642.519464
0.2612409472465515
Epoch Step: 1 Loss: 1.031042 Tokens per Sec: 434.557008
Epoch Step: 1 Loss: 0.437069 Tokens per Sec: 643.630322
0.4323212027549744
Epoch Step: 1 Loss: 0.617165 Tokens per Sec: 436.652626
Epoch Step: 1 Loss: 0.258793 Tokens per Sec: 644.372296
0.27331129014492034


這個(gè)代碼為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),使用貪婪的解碼來(lái)預(yù)測(cè)翻譯。

def greedy_decode(model, src, src_mask, max_len, start_symbol):    
   memory = model.encode(src, src_mask)    
   ys = torch.ones(1, 1).fill_(start_symbol).type_as(src.data)    
   for i in range(max_len-1):        
   out = model.decode(memory, src_mask,                            
                       Variable(ys),                            
                           Variable(subsequent_mask(ys.size(1))                                    
                           .type_as(src.data)))        
   prob = model.generator(out[:, -1])        
    _, next_word = torch.max(prob, dim = 1)        
    next_word = next_word.data[0]        
    ys = torch.cat([ys,                          
    torch.ones(1, 1).type_as(src.data).fill_(next_word)], dim=1)    
    return ys
model.eval() src = Variable(torch.LongTensor([[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]]) )
src_mask = Variable(torch.ones(1, 1, 10) )
print(greedy_decode(model, src, src_mask, max_len=10, start_symbol=1))


1     2     3     4     5     6     7     8     9    10
[torch.LongTensor of size 1x10]


一個(gè)真實(shí)的例子

筆者注:現(xiàn)在我們考慮使用IWSLT德英翻譯任務(wù)的一個(gè)真實(shí)世界的例子。這個(gè)任務(wù)比論文中考慮的WMT任務(wù)小得多,但它說(shuō)明了整個(gè)系統(tǒng)。我們還展示了如何使用多GPU處理來(lái)使其真正快速。

#!pip install torchtext spacy
#!python -m spacy download en
#!python -m spacy download de


數(shù)據(jù)加載

筆者注:我們將使用 torchtext 和 spacy 加載數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)記化。

# For data loading.
from torchtext import data, datasets
if True:    
   import spacy    
   spacy_de = spacy.load('de')    
   spacy_en = spacy.load('en')    
   def tokenize_de(text):        
       return [tok.text for tok in spacy_de.tokenizer(text)]    
   def tokenize_en(text):        
       return [tok.text for tok in spacy_en.tokenizer(text)]    
   BOS_WORD = '<s>'    
   EOS_WORD = '</s>'    
   BLANK_WORD = "<blank>"    
   SRC = data.Field(tokenize=tokenize_de, pad_token=BLANK_WORD)    
   TGT = data.Field(tokenize=tokenize_en, init_token = BOS_WORD,                      
   eos_token = EOS_WORD, pad_token=BLANK_WORD)    
   MAX_LEN = 100    
   train, val, test = datasets.IWSLT.splits(        
       exts=('.de', '.en'), fields=(SRC, TGT),          
       filter_pred=lambda x: len(vars(x)['src']) <= MAX_LEN and              
           len(vars(x)['trg']) <= MAX_LEN)    
   MIN_FREQ = 2    
   SRC.build_vocab(train.src, min_freq=MIN_FREQ)    
   TGT.build_vocab(train.trg, min_freq=MIN_FREQ)


批量對(duì)速度有很大的影響。我們希望有非常均勻的批次,絕對(duì)最小的填充。要做到這一點(diǎn),我們必須對(duì)默認(rèn)的 torchtext 批量進(jìn)行一些改進(jìn)。這段代碼修補(bǔ)了他們的默認(rèn)批處理,以確保我們搜索到的句子足夠多,從而找到緊湊的批處理。

迭代器

class MyIterator(data.Iterator):        
   def create_batches(self):        
   if self.train:            
       def pool(d, random_shuffler):                
       for p in data.batch(d, self.batch_size * 100):                    
           p_batch = data.batch(                        
               sorted(p, key=self.sort_key),                        
               self.batch_size, self.batch_size_fn)                    
           for b in random_shuffler(list(p_batch)):                        
                        yield b            
       self.batches = pool(self.data(), self.random_shuffler)                      
   else:            
       self.batches = []            
       for b in data.batch(self.data(), self.batch_size,                                          
                                       self.batch_size_fn):                
       self.batches.append(sorted(b, key=self.sort_key))
def rebatch(pad_idx, batch):    
   "Fix order in torchtext to match ours"    
   src, trg = batch.src.transpose(0, 1), batch.trg.transpose(0, 1)    
   return Batch(src, trg, pad_idx)


多CPU訓(xùn)練

筆者注:最后為了真正針對(duì)快速訓(xùn)練,我們將使用多gpu。這段代碼實(shí)現(xiàn)了多gpu詞的生成。它不是專門針對(duì)transformer的,所以我不會(huì)說(shuō)得太詳細(xì)。我們的想法是在訓(xùn)練時(shí)將單詞生成分割成塊,在許多不同的gpus上并行處理。我們使用 pytorch 并行基元來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。

  • replicate - 將模塊分割到不同的gpus上。

  • scatter - 分割批次到不同的gpus上。

  • parallel_apply - 將模塊應(yīng)用到不同的gpus上的批次。

  • gather - 把分散的數(shù)據(jù)拉回到一個(gè)gpu上。

  • nn.DataParallel - 一個(gè)特殊的模塊包裝器,在評(píng)估前調(diào)用這些

# Skip if not interested in multigpu. class MultiGPULossCompute:    
"A multi-gpu loss compute and train function."    
   def __init__(self, generator, criterion, devices, opt=None, chunk_size=5):        
       # Send out to different gpus.        
       self.generator = generator        
       self.criterion = nn.parallel.replicate(criterion,                                                
       devices=devices)        
       self.opt = opt        
       self.devices = devices        
       self.chunk_size = chunk_size              
   def __call__(self, out, targets, normalize):        
       total = 0.0        
       generator = nn.parallel.replicate(self.generator,                                                  
       devices=self.devices)        
       out_scatter = nn.parallel.scatter(out,                                            
       target_gpus=self.devices)        
       out_grad = [[] for _ in out_scatter]        
       targets = nn.parallel.scatter(targets,                                        
       target_gpus=self.devices)        
   # Divide generating into chunks.        
   chunk_size = self.chunk_size        
   for i in range(0, out_scatter[0].size(1), chunk_size):            
       # Predict distributions            
           out_column = [[Variable(o[:, i:i+chunk_size].data,                                      
           requires_grad=self.opt is not None)]                            
           for o in out_scatter]            
           gen = nn.parallel.parallel_apply(generator, out_column)            
       # Compute loss.              
           y = [(g.contiguous().view(-1, g.size(-1)),                    
           t[:, i:i+chunk_size].contiguous().view(-1))                  
           for g, t in zip(gen, targets)]            
           loss = nn.parallel.parallel_apply(self.criterion, y)            
       # Sum and normalize loss            
           l = nn.parallel.gather(loss,                                    
           target_device=self.devices[0])            
           l = l.sum()[0] / normalize            
           total += l.data[0]            
       # Backprop loss to output of transformer            
           if self.opt is not None:                
           l.backward()                
           for j, l in enumerate(loss):                    
           out_grad[j].append(out_column[j][0].grad.data.clone())        
   # Backprop all loss through transformer.                    
       if self.opt is not None:            
       out_grad = [Variable(torch.cat(og, dim=1)) for og in out_grad]            
       o1 = out            
       o2 = nn.parallel.gather(out_grad,                                      
       target_device=self.devices[0])            
        o1.backward(gradient=o2)            
        self.opt.step()            
        self.opt.optimizer.zero_grad()        
        return total * normalize


現(xiàn)在我們創(chuàng)建我們的模型、準(zhǔn)則、優(yōu)化器、數(shù)據(jù)迭代器和paralelization。

# GPUs to use devices = [0, 1, 2, 3]
if True:    
   pad_idx = TGT.vocab.stoi["<blank>"]    
   model = make_model(len(SRC.vocab), len(TGT.vocab), N=6)    
   model.cuda()    
   criterion = LabelSmoothing(size=len(TGT.vocab), padding_idx=pad_idx, smoothing=0.1)    
   criterion.cuda()    
   BATCH_SIZE = 12000    
   train_iter = MyIterator(train, batch_size=BATCH_SIZE, device=0,                            
       repeat=False, sort_key=lambda x: (len(x.src), len(x.trg)),                            
       batch_size_fn=batch_size_fn, train=True)    
   valid_iter = MyIterator(val, batch_size=BATCH_SIZE, device=0,                            
       repeat=False, sort_key=lambda x: (len(x.src), len(x.trg)),                            
       batch_size_fn=batch_size_fn, train=False)    
   model_par = nn.DataParallel(model, device_ids=devices)
None


現(xiàn)在我們訓(xùn)練模型。我會(huì)稍微玩一下熱身步驟,但其他一切都使用默認(rèn)參數(shù)。在一個(gè)有4個(gè)特斯拉V100的AWS p3.8xlarge上,這以每秒約27,000個(gè)代幣的速度運(yùn)行,批次大小為12,000個(gè)。

訓(xùn)練系統(tǒng)

#!wget https://s3.amazonaws.com/opennmt-models/iwslt.pt
if False:    
   model_opt = NoamOpt(model.src_embed[0].d_model, 1, 2000,            
   torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0, betas=(0.9, 0.98), eps=1e-9))    
   for epoch in range(10):        
   model_par.train()        
   run_epoch((rebatch(pad_idx, b) for b in train_iter),                    
   model_par,                    
   MultiGPULossCompute(model.generator, criterion,                                        
   devices=devices, opt=model_opt))        
   model_par.eval()        
   loss = run_epoch((rebatch(pad_idx, b) for b in valid_iter),                            
   model_par,                            
   MultiGPULossCompute(model.generator, criterion,                            
   devices=devices, opt=None))        
   print(loss)
else:    
   model = torch.load("iwslt.pt")


筆者注:一旦訓(xùn)練好了,我們就可以對(duì)模型進(jìn)行解碼,產(chǎn)生一組翻譯。這里我們只需翻譯驗(yàn)證集中的第一句話。這個(gè)數(shù)據(jù)集相當(dāng)小,所以通過(guò)貪婪搜索的翻譯是相當(dāng)準(zhǔn)確的。

for i, batch in enumerate(valid_iter):    
   src = batch.src.transpose(0, 1)[:1]    
   src_mask = (src != SRC.vocab.stoi["<blank>"]).unsqueeze(-2)    
   out = greedy_decode(model, src, src_mask,                        
        max_len=60, start_symbol=TGT.vocab.stoi["<s>"])    
    print("Translation:", end="\t")    
    for i in range(1, out.size(1)):        
        sym = TGT.vocab.itos[out[0, i]]        
        if sym == "</s>": break        
    print(sym, end =" ")    
    print()    
    print("Target:", end="\t")    
    for i in range(1, batch.trg.size(0)):        
        sym = TGT.vocab.itos[batch.trg.data[i, 0]]        
        if sym == "</s>": break        
        print(sym, end =" ")    
    print()    
    break


Translation: <unk> <unk> . In my language , that means , thank you very much .  
Gold: <unk> <unk> . It means in my language , thank you very much .

附加組件:BPE、搜索、平均

筆者注:所以這主要是涵蓋了變壓器模型本身。有四個(gè)方面我們沒(méi)有明確地覆蓋。我們還在OpenNMT-py中實(shí)現(xiàn)了所有這些附加功能。

1. BPE/字片。我們可以使用一個(gè)庫(kù)先把數(shù)據(jù)預(yù)處理成子字單元。參見(jiàn)Rico Sennrich的subword- nmt實(shí)現(xiàn)。這些模型會(huì)將訓(xùn)練數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成這樣的樣子。

▁Die ▁Protokoll datei ▁kann ▁ heimlich ▁per ▁E - Mail ▁oder ▁FTP ▁an ▁einen ▁bestimmte n ▁Empf?nger ▁gesendet ▁werden .

2. 共享嵌入。當(dāng)使用共享詞匯的BPE時(shí),我們可以在源/目標(biāo)/生成器之間共享相同的權(quán)重向量。詳情請(qǐng)參見(jiàn)(引文)。要將此添加到模型中,只需這樣做。

if False:    
model.src_embed[0].lut.weight = model.tgt_embeddings[0].lut.weight    
model.generator.lut.weight = model.tgt_embed[0].lut.weight


3. 光束搜索:這有點(diǎn)太復(fù)雜了,這里就不多說(shuō)了。參見(jiàn)OpenNMT- py中的pytorch實(shí)現(xiàn)。

4. 模型平均化:本文對(duì)最后的k個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行平均,以產(chǎn)生集合效應(yīng)。如果我們有一堆模型,我們可以事后再做。

def average(model, models):    
   "Average models into model"    
   for ps in zip(*[m.params() for m in [model] + models]):        
       p[0].copy_(torch.sum(*ps[1:]) / len(ps[1:]))


結(jié)果

在WMT 2014英譯德任務(wù)上,大變壓器模型(Transformer(big)在表2中)比之前報(bào)道的最佳模型(包括合集)的表現(xiàn)要好2.0 BLEU以上,建立了新的最先進(jìn)的BLEU得分28.4。該模型的配置列在表3的底行。訓(xùn)練在8個(gè)P100 GPU上花了3.5天。即使我們的基礎(chǔ)模型也超越了所有之前發(fā)布的模型和合集,而訓(xùn)練成本只是任何競(jìng)爭(zhēng)模型的一小部分。

在WMT 2014英譯法任務(wù)上,我們的大模型實(shí)現(xiàn)了41.0的BLEU得分,超越了之前發(fā)布的所有單體模型,而訓(xùn)練成本不到之前最先進(jìn)模型的1/4。為英譯法訓(xùn)練的Transformer(大)模型使用的輟學(xué)率Pdrop=0.1,而不是0.3。

【精讀】Transformer模型深度解讀


我們?cè)谶@里寫的代碼是基礎(chǔ)模型的一個(gè)版本。這里有這個(gè)系統(tǒng)的完全訓(xùn)練版本(示例模型)。

通過(guò)上一節(jié)中的附加擴(kuò)展,OpenNMT-py復(fù)制在EN-DE WMT上達(dá)到了26.9。在這里,我已經(jīng)把這些參數(shù)加載到我們的重新實(shí)施中。

!wget https://s3.amazonaws.com/opennmt-models/en-de-model.pt
model, SRC, TGT = torch.load("en-de-model.pt")
model.eval()
sent = "▁The ▁log ▁file ▁can ▁be ▁sent ▁secret ly ▁with ▁email ▁or ▁FTP ▁to ▁a ▁specified ▁receiver".split()
src = torch.LongTensor([[SRC.stoi[w] for w in sent]])
src = Variable(src)
src_mask = (src != SRC.stoi["<blank>"]).unsqueeze(-2)
out = greedy_decode(model, src, src_mask,                      
max_len=60, start_symbol=TGT.stoi["<s>"])
print("Translation:", end="\t") trans = "<s> "
for i in range(1, out.size(1)):    
sym = TGT.itos[out[0, i]]    
if sym == "</s>": break    
trans += sym + " "
print(trans)


ranslation: <s> ▁Die ▁Protokoll datei ▁kann ▁ heimlich ▁per ▁E - Mail ▁oder ▁FTP ▁an ▁einen ▁bestimmte n ▁Empf?nger ▁gesendet ▁werden .


注意力的可視化

即使是用greedy解碼,翻譯出來(lái)的效果也很不錯(cuò)。我們可以進(jìn)一步將其可視化,看看在注意力的每一層發(fā)生了什么。

tgt_sent = trans.split() def draw(data, x, y, ax):    
seaborn.heatmap(data,                      
xticklabels=x, square=True, yticklabels=y, vmin=0.0, vmax=1.0,                      
cbar=False, ax=ax)      
for layer in range(1, 6, 2):    
fig, axs = plt.subplots(1,4, figsize=(20, 10))    
print("Encoder Layer", layer+1)    

for h in range(4):        
draw(model.encoder.layers[layer].self_attn.attn[0, h].data,              
sent, sent if h ==0 else [], ax=axs[h])    
plt.show()      

for layer in range(1, 6, 2):    
fig, axs = plt.subplots(1,4, figsize=(20, 10))    
print("Decoder Self Layer", layer+1)    

for h in range(4):        
draw(model.decoder.layers[layer].self_attn.attn[0, h].data[:len(tgt_sent), :len(tgt_sent)],              
tgt_sent, tgt_sent if h ==0 else [], ax=axs[h])    
plt.show()    
print("Decoder Src Layer", layer+1)    
fig, axs = plt.subplots(1,4, figsize=(20, 10))    
for h in range(4):        
draw(model.decoder.layers[layer].self_attn.attn[0, h].data[:len(tgt_sent), :len(sent)],              
sent, tgt_sent if h ==0 else [], ax=axs[h])    
plt.show()


Encoder Layer 2

【精讀】Transformer模型深度解讀

Encoder Layer 4

【精讀】Transformer模型深度解讀

Encoder Layer 6

【精讀】Transformer模型深度解讀

Encoder Self Layer 2

【精讀】Transformer模型深度解讀

Encoder Src Layer 4

【精讀】Transformer模型深度解讀

Encoder Self Layer 6

【精讀】Transformer模型深度解讀

Decoder Src Layer 6

【精讀】Transformer模型深度解讀

結(jié)論

筆者注:希望這段代碼對(duì)以后的研究有用。如果你有任何問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系我們。如果你覺(jué)得這段代碼有幫助,也可以看看我們其他的OpenNMT工具。

@inproceedings{opennmt,
 author    = {Guillaume Klein and
              Yoon Kim and
              Yuntian Deng and
              Jean Senellart and
              Alexander M. Rush},
 title     = {OpenNMT: Open-Source Toolkit for Neural Machine Translation},
 booktitle = {Proc. ACL},
 year      = {2017},
 url       = {https://doi.org/10.18653/v1/P17-4012},
 doi       = {10.18653/v1/P17-4012}
}



雷鋒字幕組是一個(gè)由AI愛(ài)好者組成的翻譯團(tuán)隊(duì),匯聚五五多位志愿者的力量,分享最新的海外AI資訊,交流關(guān)于人工智能技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)轉(zhuǎn)變與技術(shù)創(chuàng)新的見(jiàn)解。

團(tuán)隊(duì)成員有大數(shù)據(jù)專家,算法工程師,圖像處理工程師,產(chǎn)品經(jīng)理,產(chǎn)品運(yùn)營(yíng),IT咨詢?nèi)?,在校師生;志愿者們?lái)自IBM,AVL,Adobe,阿里,百度等知名企業(yè),北大,清華,港大,中科院,南卡羅萊納大學(xué),早稻田大學(xué)等海內(nèi)外高校研究所。

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【精讀】Transformer模型深度解讀

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