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《Transformer架构完全解析：从零开始读懂深度学习的革命性模型》

article 2025/2/12 16:48:38

Transformer 架构是深度学习领域（尤其是自然语言处理）的革命性模型，由 Google 团队在 2017 年的论文 Attention Is All You Need 中提出。它完全基于注意力机制（Self-Attention），摒弃了传统的循环神经网络（RNN）和卷积神经网络（CNN），显著提升了模型并行计算能力和长距离依赖建模能力。

以下是 Transformer 架构的完整解析：

一、核心思想与优势

为什么需要 Transformer？
- RNN/LSTM 的缺陷：无法高效并行计算（依赖序列顺序），长距离依赖建模能力弱。
- CNN 的缺陷：需要多层堆叠才能捕获全局信息，感受野受限。
- 注意力机制的优势：直接建模序列中任意两个位置的关系，支持并行计算。
Transformer 的核心目标：
- 通过 自注意力（Self-Attention） 捕捉全局依赖关系。
- 通过 位置编码（Positional Encoding） 保留序列顺序信息。
- 实现高效的并行化训练。

二、Transformer 整体架构

Transformer 由 编码器（Encoder） 和 解码器（Decoder） 堆叠而成，结构对称但功能不同。

Transformer Architecture

1. 编码器（Encoder）

组成：由 N 个相同的层堆叠（通常 N=6）。
单层结构：
1. 多头自注意力（Multi-Head Self-Attention）
2. 残差连接（Residual Connection） + 层归一化（LayerNorm）
3. 前馈网络（Feed-Forward Network, FFN）
4. 残差连接 + 层归一化

2. 解码器（Decoder）

组成：同样由 N 个相同的层堆叠。
单层结构：
1. 掩码多头自注意力（Masked Multi-Head Self-Attention）
  （防止未来信息泄漏）
2. 残差连接 + 层归一化
3. 编码器-解码器注意力（Encoder-Decoder Attention）
  （融合编码器输出）
4. 残差连接 + 层归一化
5. 前馈网络（FFN）
6. 残差连接 + 层归一化

三、核心组件详解

1. 自注意力机制（Self-Attention）

输入：一个序列的嵌入表示（例如词向量）。
核心步骤：
1. 生成 Q, K, V：
  将输入通过线性变换生成查询（Query）、键（Key）、值（Value）矩阵。
2. 计算注意力分数：
  $\text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V$
  （缩放点积注意力， $\sqrt{d_k}$ 用于防止梯度消失）
3. 多头注意力（Multi-Head）：
  将 Q, K, V 拆分到多个子空间（头），独立计算注意力后拼接结果，增强模型表达能力。

2. 位置编码（Positional Encoding）

作用：为输入序列添加位置信息（Transformer 本身没有顺序感知能力）。
公式：
$PE_{(pos, 2i)} = \sin(pos / 10000^{2i/d_{\text{model}}})$
$PE_{(pos, 2i+1)} = \cos(pos / 10000^{2i/d_{\text{model}}})$
（其中 $p os$ 是位置， $i$ 是维度）
特点：可学习或固定，通常与输入嵌入相加。

3. 前馈网络（FFN）

结构：两层全连接层 + ReLU 激活函数。
公式：
$\text{FFN}(x) = \text{ReLU}(xW_1 + b_1)W_2 + b_2$

4. 残差连接与层归一化

残差连接：将输入直接加到输出上（ $\text{Sublayer}(x)$ ），缓解梯度消失。
层归一化：对每个样本的特征维度进行归一化，加速训练。

四、训练与推理细节

训练阶段：
- 输入：编码器接收源序列，解码器接收目标序列（右移一位）。
- 损失函数：交叉熵损失（Cross-Entropy Loss）。
- 优化技巧：标签平滑（Label Smoothing）、学习率预热（Warmup）等。
推理阶段：
- 自回归生成：解码器逐步生成目标序列（每一步依赖前一步输出）。
- 束搜索（Beam Search）：保留多个候选序列，提升生成质量。

五、Transformer 的变体与应用

经典模型：
- BERT：仅用编码器，掩码语言模型预训练。
- GPT：仅用解码器，自回归语言模型。
- T5：完整的编码器-解码器结构。
改进方向：
- 高效注意力：稀疏注意力（Sparse Attention）、线性注意力（Linear Attention）。
- 结构优化：Performer、Reformer 等降低计算复杂度。