一年六篇顶会的清华大神提出Fastformer：史上最快、效果最好的Transformer-技术圈

新智元报道

来源：arXiv

编辑：LRS

【新智元导读】Transformer模型好是好，可惜太慢了！最近一位清华大神在arxiv上传了一篇论文，提出新模型Fastformer，线性时间复杂度，训练和推理效率史上最快，还顺手在排行榜刷了个sota。

Transformer 的强大毋庸置疑，想要在CV和NLP的排行榜上取得一席之地，Transformer几乎是必不可少的骨架模型。

但它的效率相比传统的文本理解模型来说却不敢恭维，Transformer的核心是自注意力（self-attention）机制，对于输入长度为N的文本，它的时间复杂度达到二次O(N^2)。

虽然已经有很多方法来处理 Transformer 加速问题，但是对于长序列来说，这些方法要么效率仍然较低或是效果还不够好，例如BigBird使用稀疏注意力却丢失了全局上下文信息。

清华大学提出了一个新模型Fastformer，基于additive attention能够以线性复杂度来建立上下文信息。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2108.09084

文章的第一作者武楚涵，是清华大学电子工程系的博士研究生。

目前的研究兴趣包括推荐系统、用户建模和社会媒体挖掘。在人工智能、自然语言处理和数据挖掘领域的会议和期刊上发表过多篇论文。

仅2021年就在顶会上发表了六篇论文，大神的世界只能仰望。

论文的通讯作者是黄永峰，清华大学电子系教授，博士，博导，信息认知和智能系统研究所副所长，首届全国十佳网络安全优秀教师。

主要从事网络及网络安全技术的研究和教学。现为IEEE Senior Member、中国电子学会信息隐藏与多媒体安全专家委员会委员。

已在IEEE Transaction IFS和中国科学等国内外著名期刊和AAAI和ACL等重要国际会议发表论文300多篇；出版专著4部、译著2部，教材2部。申请和授权发明专利10余项。

Fastformer首先对输入的attention query矩阵合并为一个全局query向量，然后对attention的key和全局query向量采用element-wise的乘法学习到全局上下文相关key矩阵，再通过additive attention合并为全局key向量。

通过元素乘积对全局key和attention之间的交互进行建模，并使用线性变换学习全局上下文感知的注意力，最后将它们与attention query查询一起添加以形成最终输出。

由此，计算复杂度可以降低到线性，并且可以有效地捕获输入序列中的上下文信息。

对于学习全局query和key向量的additive attention网络，其时间和内存开销均为O(N·d)，参数总数为2hd（h为注意头数）。此外，元素乘积的时间代价和内存代价也是O(N·d)，总复杂度是，比标准的Transformer复杂度要更有效率。

如果采用权重共享（weight sharing）方法，每层Fastformer的总参数量为，也有更少的参数。

模型验证

论文在五个不同任务的数据集上进行实验来验证Fastformer的效率：

IMDB，电影评论星级预测数据；
MIND，一个大规模的新闻推荐数据集。在这个数据上进行两个任务：新闻主题分类和个性化推荐；
CNN/DailyMail数据集，一个广泛使用的文本摘要数据集；
PubMed数据集，包含更长文本的文本摘要数据集；
Amazon 电子产品领域评论星级预测数据。

实验过程中使用Glove词向量初始化，在32GB的V100 GPU上进行5次实验取性能的平均值。

对比模型包括：

标准的Transformer；
Longformer，基于稀疏注意力的Transformer，结合了滑动窗口注意力和全局注意力来建模局部和全局上下文；
BigBird，Longformer的扩展，包括稀疏随机注意力机制；
Linformer，一个线性复杂度的Transformer，使用低维key和value矩阵来计算近似self-attention；
Linear Transformer，也是线性复杂度的Transformer，使用核函数来估计self-attention机制；
Poolingformer，一种层次结构，首先使用滑动窗口自注意力来捕捉短距离的内容，然后使用pooling self-attention来捕捉长距离的上下文。

在分类任务上，可以看到FastFormer要比标准的Transformer要更好。

比较不同方法在新闻推荐任务中的性能时，又增加了三个模型：

NRMS，它使用多头自注意力网络学习新闻和用户表征；
FIM，一种用于个性化新闻推荐的细粒度兴趣匹配方法；
PLM-NR，使用预训练的语言模型为新闻推荐提供基础。

在不同的Transformer结构中，Fastformer达到了最好的性能，并且它也优于基本NRMS模型。此外，Fastformer可以进一步提高PLM-NR的性能，并且集成模型在MIND排行榜上获得最佳结果。

结果分析

结果表明，Fastformer不仅在文本建模方面是有效的，而且在理解用户兴趣方面也是有效的。

既然提到快，在效率的对比上也要进行实验。将输入序列的长度从128调整为65535，并将batch size的大小与序列长度成反比。使用随机生成token作为伪样本，并固定token embedding以更好地测量不同方法的计算成本。

当序列长度相对较长时（例如512），Transformer效率较低。此外还发现，虽然Poolingformer在理论上具有线性复杂性，但在实践中效率低下。这是因为它使用的窗口大小（例如256）以类似卷积的方式计算池权重，这导致计算成本的非常大的常数项。

在训练和推理时间方面，Fastformer比其他线性复杂度Transformer更有效，这些结果验证了Fastformer的有效性。

不同的参数共享技术对Fastformer的技术也有影响，通过共享query和value转换矩阵，在不同的注意头之间共享参数，可以发现，与没有任何参数共享技术的Fastformer模型相比，使用query-value参数共享可以获得类似或略好的性能。因此可以通过共享query和value转换矩阵来减少参数大小。

此外，头部参数共享将导致显著的性能下降。这是因为不同的注意头需要捕捉不同的上下文模式，而共享它们的参数对上下文建模是不利的，采用分层共享方法可以进一步提高模型的性能，因为不同层之间的参数共享可以缓解过拟合的风险。

参考资料：

https://arxiv.org/abs/2108.09084