電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）近年來，隨著大語言模型的不斷出圈，Transformer這一概念也走進(jìn)了大眾視野。Transformer是一種非常流行的深度學(xué)習(xí)模型，最早于2017年由谷歌（Google）研究團(tuán)隊(duì)提出，主要用于處理自然語言。

2018年10月，Google發(fā)出一篇論文《BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding》，BERT模型橫空出世，并橫掃NLP領(lǐng)域11項(xiàng)任務(wù)的最佳成績。而在BERT中發(fā)揮重要作用的結(jié)構(gòu)就是Transformer，之后又相繼出現(xiàn)XLNET、roBERT等模型擊敗了BERT，但是他們的核心沒有變，仍然是Transformer。

與傳統(tǒng)CNN和RNN相比，Transformer計(jì)算效率更高

Transformer是一種基于注意力機(jī)制的序列模型，與傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）不同，Transformer僅使用自注意力機(jī)制（self-attention）來處理輸入序列和輸出序列，因此可以并行計(jì)算，極大地提高了計(jì)算效率。

自注意力機(jī)制是注意力機(jī)制的一個(gè)特例。注意力機(jī)制類似于人類的注意力，能夠根據(jù)任務(wù)的需要分配不同權(quán)重給輸入序列中的不同部分。自注意力機(jī)制則更像是一種“全知”的能力，系統(tǒng)可以同時(shí)關(guān)注輸入序列中的所有位置，而不受序列中位置的限制。

自注意力機(jī)制是Transformer的核心部分，它允許模型在處理序列時(shí)，將輸入序列中的每個(gè)元素與其他元素進(jìn)行比較，以便在不同上下文中正確地處理每個(gè)元素。

Transformer模型由編碼器（Encoder）和解碼器（Decoder）兩部分組成。編碼器將輸入序列（例如一句話）轉(zhuǎn)化為一系列上下文表示向量（Contextualized Embedding），它由多個(gè)相同的層組成。每一層都由兩個(gè)子層組成，分別是自注意力層（Self-Attention Layer）和前饋全連接層（Feedforward Layer）。具體地，自注意力層將輸入序列中的每個(gè)位置與所有其他位置進(jìn)行交互，以計(jì)算出每個(gè)位置的上下文表示向量。前饋全連接層則將每個(gè)位置的上下文表示向量映射到另一個(gè)向量空間，以捕捉更高級(jí)別的特征。

解碼器將編碼器的輸出和目標(biāo)序列（例如翻譯后的句子）作為輸入，生成目標(biāo)序列中每個(gè)位置的概率分布。解碼器由多個(gè)相同的層組成，每個(gè)層由三個(gè)子層組成，分別是自注意力層、編碼器-解碼器注意力層（Encoder-Decoder Attention Layer）和前饋全連接層。其中自注意力層和前饋全連接層的作用與編碼器相同，而編碼器-解碼器注意力層則將解碼器當(dāng)前位置的輸入與編碼器的所有位置進(jìn)行交互，以獲得與目標(biāo)序列有關(guān)的信息。

Transformer在自然語言處理中廣泛應(yīng)用，例如機(jī)器翻譯、文本摘要、語言生成、問答系統(tǒng)等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），Transformer的并行計(jì)算能力更強(qiáng)，處理長序列的能力更強(qiáng)，且可以直接對(duì)整個(gè)序列進(jìn)行處理。

比如，在問答系統(tǒng)中，Transformer模型主要用于對(duì)問題和答案進(jìn)行匹配，從而提供答案。具體而言，輸入序列為問題和答案，輸出為問題和答案之間的匹配分?jǐn)?shù)。Transformer模型通過編碼器將問題和答案分別轉(zhuǎn)化為向量表示，然后通過Multi-Head Attention層計(jì)算問題和答案之間的注意力分布，最終得到匹配分?jǐn)?shù)。

CNN和RNN的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks, CNN）是一類包含卷積計(jì)算且具有深度結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedforward Neural Networks），是深度學(xué)習(xí)（deep learning）的代表算法之一 。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有表征學(xué)習(xí)（representation learning）能力，能夠按其階層結(jié)構(gòu)對(duì)輸入信息進(jìn)行平移不變分類（shift-invariant classification），因此也被稱為“平移不變?nèi)斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)（Shift-Invariant Artificial Neural Networks, SIANN）”。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究始于二十世紀(jì)80至90年代，時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)和LeNet-5是最早出現(xiàn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；在二十一世紀(jì)后，隨著深度學(xué)習(xí)理論的提出和數(shù)值計(jì)算設(shè)備的改進(jìn)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，并被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等領(lǐng)域 。

計(jì)算機(jī)視覺方面，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)長期以來是圖像識(shí)別領(lǐng)域的核心算法之一，并在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)充足時(shí)有穩(wěn)定的表現(xiàn)。對(duì)于一般的大規(guī)模圖像分類問題，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于構(gòu)建階層分類器（hierarchical classifier），也可以在精細(xì)分類識(shí)別（fine-grained recognition）中用于提取圖像的判別特征以供其它分類器進(jìn)行學(xué)習(xí)。對(duì)于后者，特征提取可以人為地將圖像的不同部分分別輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也可以由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過非監(jiān)督學(xué)習(xí)自行提取。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)視覺方面的應(yīng)用還包括字符檢測（text detection）/字符識(shí)別（text recognition）/光學(xué)字符讀取、物體識(shí)別（object recognition）等，此外，在圖像語義分割（semantic segmentation）、場景分類（scene labeling）和圖像顯著度檢測（Visual Saliency Detection）等問題中也有應(yīng)用，其表現(xiàn)被證實(shí)超過了很多使用特征工程的分類系統(tǒng)。

然而，由于受到窗口或卷積核尺寸的限制，無法很好地學(xué)習(xí)自然語言數(shù)據(jù)的長距離依賴和結(jié)構(gòu)化語法特征，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自然語言處理（Natural Language Processing, NLP）中的應(yīng)用要少于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且在很多問題中會(huì)在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架上進(jìn)行設(shè)計(jì)，但也有一些卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在多個(gè)NLP主題中取得成功。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network, RNN）是一類以序列（sequence）數(shù)據(jù)為輸入，在序列的演進(jìn)方向進(jìn)行遞歸（recursion）且所有節(jié)點(diǎn)（循環(huán)單元）按鏈?zhǔn)竭B接的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（recursive neural network）。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究始于二十世紀(jì)80-90年代，并在二十一世紀(jì)初發(fā)展為深度學(xué)習(xí)（deep learning）算法之一 ，其中雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Bidirectional RNN, Bi-RNN）和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory networks，LSTM）是常見的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有記憶性、參數(shù)共享并且圖靈完備（Turing completeness），因此在對(duì)序列的非線性特征進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)具有一定優(yōu)勢。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自然語言處理（Natural Language Processing, NLP），例如語音識(shí)別、語言建模、機(jī)器翻譯等領(lǐng)域有應(yīng)用，也被用于各類時(shí)間序列預(yù)報(bào)。引入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network,CNN）構(gòu)筑的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以處理包含序列輸入的計(jì)算機(jī)視覺問題。

RNN在NLP問題中有得到應(yīng)用。在語音識(shí)別中，有研究人員使用L雙向STM對(duì)英語文集TIMIT進(jìn)行語音識(shí)別，其表現(xiàn)超過了同等復(fù)雜度的隱馬爾可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）和深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在語音合成領(lǐng)域，有研究人員將多個(gè)雙向LSTM相組合建立了低延遲的語音合成系統(tǒng)，成功將英語文本轉(zhuǎn)化為接近真實(shí)的語音輸出 。RNN也被用于端到端文本-語音（Text-To-Speech, TTS）合成工具的開發(fā)，例子包括Tacotron 、Merlin 等。RNN也被用于與自然語言處理有關(guān)的異常值檢測問題，例如社交網(wǎng)絡(luò)中虛假信息/賬號(hào)的檢測 。

RNN與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向結(jié)合的系統(tǒng)可被應(yīng)用于在計(jì)算機(jī)視覺問題，例如在字符識(shí)別（text recognition）中，有研究使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)包含字符的圖像進(jìn)行特征提取，并將特征輸入LSTM進(jìn)行序列標(biāo)注 。對(duì)基于視頻的計(jì)算機(jī)視覺問題，例如行為認(rèn)知（action recognition）中，RNN可以使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐幀提取的圖像特征進(jìn)行學(xué)習(xí)。

總結(jié)

可以看到，Transformer以及CNN、RNN是不同的深度學(xué)習(xí)模型，Transformer是一種基于自注意力機(jī)制的特征提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要用于自然語言處理領(lǐng)域。CNN是一種基于卷積層的特征提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要用于圖像處理領(lǐng)域。RNN是一種基于循環(huán)層的特征提取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于自然語言處理，也用于計(jì)算機(jī)視覺。總體而言，因?yàn)槭褂米宰⒁饬C(jī)制（self-attention）來處理輸入序列和輸出序列，Transformer可以并行計(jì)算，相比之下計(jì)算效率大幅提升。