Transformer 架构

Transformer 架构是一种深度学习架构，主要用于自然语言处理等序列数据的处理，在人工智能领域有着广泛的应用。其主要由以下几个部分组成：

1. 输入部分：
   • 词嵌入（Input Embedding）：将输入的文本序列中的每个词转换为低维向量表示，以便神经网络进行处理。这种词嵌入可以通过训练得到，能够捕捉到词的语义信息。例如，“苹果” 和 “水果” 在嵌入空间中的向量表示会比较接近，反映出它们在语义上的相关性。
   • 位置编码（Positional Encoding）：由于 Transformer 架构本身不包含对词序信息的处理，所以需要位置编码来为每个词添加位置信息。位置编码的方式有多种，常见的是使用正弦和余弦函数来生成不同位置的编码向量。这样，模型可以根据位置编码来区分不同位置的词，从而更好地理解文本的顺序信息。
2. 编码器（Encoder）：
   • 多头注意力机制（Multi-Head Attention）：这是 Transformer 架构的核心组成部分。它允许模型在处理每个位置的信息时，同时关注输入序列中的其他位置，从而能够捕捉到长距离的依赖关系。多头注意力机制通过多个头（head）来并行地计算不同的注意力表示，每个头都可以关注到输入序列的不同方面，然后将这些头的结果进行拼接和线性变换，得到最终的注意力输出。例如，在翻译任务中，模型可以通过多头注意力机制同时关注源语言句子中的不同部分，以便更好地理解句子的整体含义。
   • 前馈神经网络（Feed-Forward Neural Network）：在多头注意力机制之后，编码器中还包含前馈神经网络。它通常由两个线性层和一个激活函数（如 ReLU）组成，用于对注意力机制的输出进行进一步的处理，增强模型的表达能力。前馈神经网络可以学习到输入数据中的非线性关系，从而提高模型的性能1。
   • 残差连接（Residual Connection）和层归一化（Layer Normalization）：为了提高模型的训练效果和稳定性，编码器中使用了残差连接和层归一化技术。残差连接是将输入直接加到经过处理后的输出上，使得信息可以直接传递，避免了梯度消失的问题。层归一化则是对每个样本的特征进行归一化处理，有助于加速模型的收敛12。
3. 解码器（Decoder）1：
   • 掩码多头注意力机制（Masked Multi-Head Attention）：与编码器中的多头注意力机制类似，但在解码器中，为了防止模型在预测时看到未来的信息，需要使用掩码来遮挡未来的位置。这样，模型在生成每个词时，只能依赖于之前已经生成的词和输入序列的信息。
   • 多头注意力机制（与编码器类似）：解码器中也包含多头注意力机制，不过这里的注意力机制是用于将编码器的输出和掩码多头注意力机制的输出进行融合，以便更好地利用输入序列的信息来生成输出序列。
   • 前馈神经网络、残差连接和层归一化：与编码器中的结构类似，解码器中也包含前馈神经网络、残差连接和层归一化，用于对模型的输出进行进一步的处理和优化。
4. 输出部分：
   • 线性层（Linear Layer）：将解码器的输出转换为最终的预测结果。在不同的任务中，线性层的输出维度可能会有所不同。例如，在文本分类任务中，线性层的输出维度可能是类别数；在机器翻译任务中，线性层的输出维度可能是目标语言的词汇表大小。
   • Softmax 层（Softmax Layer）：在一些需要预测概率分布的任务中，如文本分类和机器翻译，会在线性层之后使用 Softmax 层来将线性层的输出转换为概率分布。这样，模型可以根据概率分布来选择最有可能的输出结果。

Transformer 架构通过多头注意力机制和前馈神经网络的组合，能够有效地处理序列数据，并且具有良好的并行性和可扩展性，在自然语言处理、图像处理等领域取得了显著的成果。