當我們在翻譯軟體上輸入 “Transformer is a novel neural network architecture based on a self-attention mechanism” 後，計算機就可以迅速將它翻譯為 “Transformer 是一種基於自注意力機制的新型神經網路架構”，神奇的機器翻譯使得多語種互譯成為可能。
近年來，得益於機器學習的快速發展，自然語言處理（NLP）技術不斷突破，在人機互動、線上翻譯工具等領域的應用層出不窮，不同語種的人與人、人與機器之間的無障礙自由交流得以實現。
當前的主流機器翻譯主要是基於神經網路機器翻譯，這類方法是一個 “編碼器-解碼器”（encoder-decoder）架構的系統，編碼器對源語言序列進行編碼，並提取資訊，然後透過解碼器把資訊轉換為目標語言，完成語言翻譯過程。
自 2017 年問世以來，基於“編碼器-解碼器”架構設計的 Transformer 模型憑藉其優越的效能，已然成為機器翻譯領域的主流模型，在深度學習領域產生了巨大影響。
然而，Transformer 模型並非完美，模型引入self-attention機制雖實現了快速並行的訓練，但在長序列文字的處理問題上，卻需要佔據大量計算資源，導致模型訓練成本提高。
近日，由 Google、劍橋大學、DeepMind 和艾倫·圖靈研究院（Alan Turing Institute）的研究人員組成的團隊基於正交隨機特徵的快速注意力（Fast Attention Via Positive Orthogonal Random Features，FAVOR+）機制，提出了一種新的 Transformer 模型——Performer。相比於 Transformer 模型，新模型無需做出過度調整就可以變得更加高效和節能。
Performer 模型的技術突破
2017 年，谷歌大腦（Google Brain）的 Ashish Vaswani 等人發表了一篇題為 “Attention Is All You Need” 的論文，首次提出一種基於自注意力機制的 Transformer 模型。
Transformer 模型顛覆了傳統神經網路的架構，彌補了卷積神經網路（CNN）和遞迴神經網路（RNN）存在的不足，在語義特徵提取、長距離特徵捕獲、任務綜合特徵抽取等自然語言處理方面表現出了更優的效能，在自然語言處理、人機對話、影像處理等許多領域都達到了當時最好的水平（SOTA）。
Transformer 架構的核心模組是自注意力模組，模型在處理每個單詞（輸入序列中的每個位置）時，自注意力模組透過計算輸入序列中所有位置對的相似度分數，來尋找能夠幫助更好地編碼該單詞的線索。
然而，隨著輸入序列長度的增加，模型需要二次方的計算時間來產生所有相似度分數，所需計算記憶體也隨之增加，注意力機制面臨的效率問題也越來越突出。
針對那些需要長距離關注的應用，在 Transformer 基礎上已經有一些研究者提出了幾種快速的、空間利用率高的改進方法，但是大部分常見方法都依賴於稀疏注意力機制。
然而，稀疏注意力機制仍存在一定的侷限性。
（1）它們需要高效的稀疏矩陣乘法運算，而這些運算並不是在所有加速器上都能實現的；
（2）它們通常不能為其表示能力提供嚴格的理論保證；
（3）它們主要針對 Transformer 模型和生成式預訓練進行最佳化；
（4）它們通常會疊加更多的注意力層來補償稀疏表示，這使得它們很難與其他預訓練模型一起使用，因此需要重新訓練並消耗大量能量。
此外，稀疏注意機制通常仍然不足以解決常規注意方法應用的全部問題，如指標網路。還有一些運算不能被稀疏化，如在工業級推薦系統中被大量應用的 softmax 運算。
Performer 使用了一個高效的（線性）廣義注意力框架，能夠對常規（softmax）全階注意力進行可證明的、準確的、實用的估計，不依賴於任何稀疏性或低階等先驗條件，從而實現更快的訓練速度，同時允許模型處理更長的序列，這一特性恰恰滿足了 ImageNet64 影像資料集和PG-19文字資料集的要求。
Performer 模型透過正交隨機特徵（FAVOR+）演算法實現快速注意力機制，並改用 Positive Orthogonal Random Features 估計 softmax 和高斯核函式，以實現在 FAVOR+ 機制中對常規 softmax 注意力進行魯棒且無偏的估計。
研究人員表示：“Performer 是第一個透過微調可以與常規 Transformers 進行完全相容的線性架構”。
圖 | 原點對稱的通用函式 r（定義為建立在：三角隨機特徵和正隨機特徵上的估計器的均方誤差（MSEs）的比值）是輸入特徵向量與其長度l之間的角度 φ（以弧度為單位）的函式, 函式的數值越大表示正隨機特徵效能越好的（φ，l）空間區域（左）；當 l 為定值 1 時，與變化的角度 φ 構成的函式 r 為正切函式，以及比較低 softmax 核心值區域中兩個估算器的 MSE（右）。
作者透過比較發現，對於 φ 足夠大的臨界區域，該方法所使用的正交隨機特徵比任意的三角隨機特徵更精確。
圖 | 將原始的經過預訓練的 Transformer 的權重轉移到 Performer 中，Performer 產的精度達到 0.07 （橙色虛線），但在原來的梯度步數的一小部分中，很快就恢復了精度。
然而在 PG-19 上，三角法(TRIG) softmax 逼近變得非常不穩定，而正特徵(POS)(不重繪)和 Linformer (也是逼近 softmax)即使在重繪投影的情況下，也會在同樣的複雜度中趨於平穩。具有特徵重繪的正 softmax 是匹配 Transformer 的必要條件，SMREG 可實現更快的收斂。
這篇論文利用詳細的數學定理，證明了與其單純依靠計算資源來提升效能，還不如開發出改進的、高效的 Transformer 架構，來顯著降低能耗。同時，由於 Performers 使用了與 Transformer 相同的訓練超引數，也可以有效訓練基於 softmax 的線性 Transformer。因此 FAVOR+ 機制可以作為一個簡單的外掛，而無需進行過多的調整。
Performer 模型應用前景廣泛
研究人員表示，Performer 模型的提出，顯著降低了常規 Transformer 的空間和時間複雜度，並在 Transformer 的研究以及非稀疏注意機制的作用方面開闢了新的途徑。
該論文利用詳細的數學定理，證明了與其單純依靠計算資源來提升效能，還不如開發出改進的、高效的 Transformer 架構，來顯著降低能耗。同時，由於 Performers 使用了與 Transformer 相同的訓練超引數，因此 FAVOR+ 機制可以作為一個簡單的外掛，而無需進行過多的調整。
該團隊在一系列豐富的場景下測試了 Performers 的效能，執行的任務包括畫素預測、蛋白質序列建模。在實驗設定中，一個 Performer 只用 FAVOR+ 機制取代了常規 Transformer 的注意力元件。
在使用蛋白質序列訓練一個 36 層模型的挑戰性任務上，基於 Performer 的模型（Performer-RELU）的效能優於基線 Transformer 模型：Reformer 和 Linformer，後者的準確率顯著下降。
在標準的 ImageNet64 基準上，具有 6 層的 Performer 與具有 12 層的 Reformer 的準確性相當。最佳化後，Performer 的速度達到了 Reformer 的兩倍。
研究人員表示，由於基於 Performer 的可擴充套件 Transformer 架構可以處理更長的序列，而不受注意力機制結構的限制，同時保持準確和魯棒性，相信它們可以在生物資訊學領域帶來新的突破，如蛋白質的語言建模等技術已經顯示出強大的潛力。
程式碼地址：https://github.com/google-research/google-research/tree/master/performer
論文地址：https://arxiv.org/abs/2009.14794
參考資料：
https://ai.googleblog.com/2020/10/rethinking-attention-with-performers.html
https://syncedreview.com/2020/10/02/google-cambridge-deepmind-alan-turing-institutes-performer-transformer-slashes-compute-costs/
https://www.youtube.com/watch?v=xJrKIPwVwGM
