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过去两年，斯坦福大学 Hazy Research 实验室一直在从事一项重要的工作：增加序列长度。
他们有一种观点：更长的序列将开启机器学习基础模型的新时代 —— 模型可以从更长的上下文、多种媒体源、复杂的演示等中学习。
目前，这项研究已经取得了新进展。Hazy Research 实验室的 Tri Dao 和 Dan Fu 主导了 FlashAttention 算法的研究和推广，他们证明了 32k 的序列长度是可能的，且在当前这个基础模型时代将得到广泛应用（OpenAI、Microsoft、NVIDIA 和其他公司的模型都在使用 FlashAttention 算法）。
- 论文地址：https://arxiv.org/abs/2205.14135
- 代码地址：https://github.com/HazyResearch/flash-attention
正如 GPT4 的相关资料所指出的，它允许近 50 页的文本作为上下文，而且像 Deepmind Gato 使用图像作为上下文那样实现 tokenization/patching。
在这篇文章中，作者介绍了关于在高层级上增加序列长度的新方法，并提供了连接一组新原语的「桥梁」。
Transformer 变得越来越深，越来越宽，但在长序列上训练它们仍然很困难。研究人员遇到的一个基本问题是，Transformer 的注意力层在序列长度方面是按二次方比例增长：就是说从 32k 长度增加到 64k 长度，成本不只增加 2 倍，而是增加了 4 倍。因此，这促使研究人员探索具有线性时间复杂度的序列长度模型。在 Hazy Research 实验室，这项工作从 Hippo 开始，然后是 S4、H3，再到现在的 Hyena。这些模型有可能处理数百万、甚至十亿级别的上下文长度。
FlashAttention 可以加速注意力并减少其内存占用 —— 无需任何近似。「自从我们在 6 个月前发布 FlashAttention 以来，我们很高兴看到许多组织和研究实验室采用 FlashAttention 来加速他们的训练和推理。」博客中写道。
FlashAttention 是一种对注意力计算进行重新排序并利用经典技术（平铺、重新计算）加快速度并将内存使用从序列长度的二次减少到线性的算法。对于每个注意力头，为了减少内存读 / 写，FlashAttention 使用经典的平铺技术将查询、键和值块从 GPU HBM（其主内存）加载到 SRAM（其快速缓存），计算关于该块的注意力，并将输出写回 HBM。在大多数情况下，这种内存读 / 写的减少带来了显著的加速（2-4 倍）。
接下来，让我们看一下研究细节。
Long Range Arena 基准和 S4
谷歌的研究人员在 2020 年推出了 Long Range Arena (LRA) 基准测试，以评估不同模型处理长程依赖的能力。LRA 能够测试一系列任务，涵盖多种不同的数据类型和模式，例如文本、图像和数学表达式，序列长度可达 16K（Path-X：对已展开成像素的图像进行分类，没有任何空间归纳偏置）。关于将 Transformer 扩展到更长的序列方面已经有很多出色的工作，但其中许多似乎会牺牲准确性（如下图所示）。请注意 Path-X 那一列：所有 Transformer 方法及其变体表现甚至不如随机猜测。
现在让我们认识一下由 Albert Gu 主导研发的 S4。受到 LRA 基准测试结果的启发，Albert Gu 想要找出如何更好地对长程依赖关系建模，在正交多项式和递归模型与卷积模型之间关系的长期研究基础上，推出了 S4—— 一种基于结构化状态空间模型（SSMs）的新的序列模型。
很关键的一点是，SSM 在将长度为 N 的序列拓展到 2N 时的时间复杂度为
，而不像注意力机制一样呈平方级别增长！S4 成功地对 LRA 中的长程依赖进行了建模，并成为首个在 Path-X 上获得高于平均性能的模型（现在可以获得 96.4％的准确度！）。自 S4 发布以来，许多研究人员在此基础上发展和创新，出现了像 Scott Linderman 团队的 S5 模型、Ankit Gupta 的 DSS（以及 Hazy Research 实验室后续的 S4D）、Hasani 和 Lechner 的 Liquid-S4 等新模型。
另外，当 Hazy Research 发布 FlashAttention 时，已经能够增加 Transformer 的序列长度。他们还发现，仅通过将序列长度增加到 16K，Transformer 也能在 Path-X 上获得不凡的表现（63%）。
建模方面的不足
但是 S4 在语言建模方面的质量存在的差距高达 5% 的困惑度（对于上下文，这是 125M 模型和 6.7B 模型之间的差距）。为了缩小这一差距，研究人员研究了诸如联想回忆之类的合成语言，以确定语言应该具备哪些属性。最终设计了 H3（Hungry Hungry Hippos）：一个堆叠两个 SSM 的新层，并将它们的输出与乘法门相乘。
使用 H3，Hazy Research 的研究人员替换了 GPT 式 Transformer 中的几乎所有注意力层，并能够在从 Pile 训练的 400B 规模的 token 时，在困惑度和下游评估方面与 transformer 相媲美。
由于 H3 层建立在 SSM 上，因此在序列长度上，它的计算复杂度也以
的速度增长。两个注意力层使得整个模型的复杂度仍然是
，稍后会详细讨论这个问题。
当然，Hazy Research 不是唯一考虑这个方向的人：GSS 也发现带有门控的 SSM 可以与语言建模中的注意力很好地协同工作（这启发了 H3），Meta 发布了 Mega 模型，它也将 SSM 和注意力结合起来，BiGS 模型则替换了 BERT-style 模型中的注意力，而 RWKV 一直在研究完全循环的方法。
新进展：Hyena
根据前面的一系列工作，启发 Hazy Research 的研究人员开发了新的架构：Hyena。他们试图摆脱 H3 中最后两个注意力层，并获得一个几乎呈线性增长的模型，以适应更长的序列长度。事实证明，两个简单的想法是找到答案的关键：
- 每个 SSM 都可以看作是一个长度与输入序列相同的卷积滤波器。因此，可以用一个大小等于输入序列的卷积来替换 SSM，以获得在相同计算量下更加强大的模型。具体来说，通过另一个小型神经网络来隐式地参数化卷积滤波器，这借鉴了关于神经场文献中的强大方法和 CKConv/FlexConv 的研究成果。此外，卷积可以在 O (NlogN) 的时间内计算，其中 N 是序列长度，实现了近乎线性的扩展；
- H3 中的门控行为可以概括为：H3 采用输入的三个投影，并迭代地进行卷积和应用门控。在 Hyena 中，只需添加更多投影和更多的门，这有助于泛化到更具表现力的架构并缩小与注意力的差距。
Hyena 首次提出了完全近线性时间卷积模型，它可以在困惑度和下游任务上与 Transformer 相匹配，并在实验中取得了很好的结果。并且在 PILE 的子集上训练了中小型模型，其表现与 Transformer 相媲美：
通过一些优化（更多内容见下文），在序列长度为 2K 时，Hyena 模型的速度略慢于相同大小的 Transformer，但在更长的序列长度上会更快。
接下来仍需思考的是，究竟能将这些模型推广到什么程度？是否能将它们扩展到 PILE 的全尺寸（400B 个 token）？如果结合 H3 和 Hyena 的思想精华，会发生什么，能走多远？
FFT 还是更基本的方法？
在所有这些模型中，一个常见的基本操作是 FFT，它是高效计算卷积的方式，只需要 O (NlogN) 的时间。然而，FFT 在现代硬件上的支持很差，因为现代硬件主流架构是专用的矩阵乘法单元和 GEMMs（例如 NVIDIA GPU 上的张量核心）。
可以通过将 FFT 重写为一系列矩阵乘法操作来缩小效率差距。研究小组的成员利用蝴蝶矩阵来探索稀疏训练，从而实现这个目标。最近，Hazy Research 研究人员利用这个连接构建了快速卷积算法，例如 FlashConv 和 FlashButterfly，通过使用蝴蝶分解将 FFT 计算转化为一系列矩阵乘法操作。
此外，通过借鉴之前的工作，还能建立更深入的联系：包括让这些矩阵被学习，这同样需要相同的时间，但会增加额外的参数。研究人员已经开始在一些小型数据集上探索这种联系，并取得了初步成效。我们可以清楚地看到这种联系可以带来什么（比如，如何使其适用于语言模型）：
这一扩展值得更深入的探索：这个扩展学习的是哪类转换，它能让你做什么？当将它应用于语言建模时会发生什么？
这些方向都是令人兴奋的，接下来会是越来越长的序列和新的架构，让我们能够进一步探索这个新领域。我们需要特别关注那些能够受益于长序列模型的应用，比如高分辨率成像、新的数据形式，能够阅读整本书的语言模型等等。想象一下，把整本书给语言模型阅读，并让它总结故事情节，或者让一个代码生成模型基于你写的代码来生成新的代码。这些可能的场景非常非常多，都是让人感到非常兴奋的事情。
