self.NLP(3). Transformer & etc.

[Transformer] : with new attention "Self-Attention"

Attention is all you need[Vaswani2017; https://arxiv.org/abs/1706.03762]

Attention Is All You Need

위의 논문에서는 Convolution, Recurrent 등의 신경망의 구성요소를 모두 제거하고

"오로지 Attention만으로 신경망을 구현한다."

 

cf. 문맥 고려 임베딩(Contextualized Embedding)은 transformer가 개발되기 전, ELMo같은 언어모델에서 모든 토큰 임베딩을 비율을 달리해 통합하여 문맥을 내포하도록 하는 방법이다.

 

transformer가 한번에 처리하기에 이로 인해 순환신경망이 갖는 bottleneck문제를 해결할 수 있다.

🧐  기본적인 Architecture

<Encoder>
단어는 embedding을 통해 d차원의 embedding벡터로 표현된다. (논문에서는d= 512를 사용)
Inputs라는 부분에 입력이 되며, 이때 Sequential 구조가 아님을 알 수 있다.
즉, transformer는 모든 단어를 "한번에 입력"한다.
이렇게 "한번에 입력"받는 방식은 "Self-Attention"을 가능하게 한다.

{Positional Encoding}
단어의 위치정보를 보완하기 위해 positional encoding을 통해 "embedding벡터에 위치정보를 더한다".

{MHA : Multi-head Attention}
Encoder에 MHA(Multi-Head Attention)층과 FF(Feed Foward)층이 존재.
이때, MHA층은 "Self-Attention"을 수행한다!
- multi-head라는 말처럼 h개 head가 독립적으로 self-attention을 수행, 결과를 결합한다.
- MHA층의 출력은 FF층의 입력이 된다. (MHA->FF)
- 또한, FF(Feed Forward)층은 FC(Fully-Connected) layer로 이루어진다.

MHA층과 FF층 모두 Add&Norm을 적용한다.
- Add는 Shortcut Connection을
- Norm은 layer Normalization을 의미한다.
- Nx는 Encoder block이 N개 연결되었다는 것을 의미한다. (논문에서는 N=6을 사용)



<Decoder>
Encoder처럼 단어 embedding과 Positional Encoding을 통해 변환된 단어들이 "한번에 입력"된다.
예를들어, 한국어문장은 Inputs에, 영어문장은 Outputs에 입력된다.

- Decoder에는 ②~③에 표시된 2개의 MHA층과 FF층이 존재하며 출력에 Add&Norm을 적용한다.
- 이후 출력층은 "softmax"를 통해 확률벡터를 출력하며, 이런 Decoder block이 N개 연결되어 있다.

①~③은 3개의 MHA층으로 Attention을 담당하는 핵심요소이다.
- ①은 Encoder에서 입력문장을 구성하는 단어간의 Attention을 처리한다.
같은 문장을 구성하는 단어간의 Attention이기에 이를 "Self-Attention"이라 부른다.

- ② Masked MHA의 의미는 다음과 같다.
Decoder는 i일 때, 1, 2, ..., i-1까지만 관찰해야한다.
그렇기에 Mask를 사용해 i+1, i+2, ... 등을 감추어야(masked) 한다.

- ③은 Encoder가 처리한 입력과 Decoder가 처리하고있는 출력사이의 Attention을 다룬다.
따라서 ③은 "Self-Attention이 아니다!!"
이때, Encoder의 state벡터는 key와 value이고
Decoder의 state는 query로 작용하며 Encoder와 Decoder는 ③의 MHA를 통해 정보를 교환한다.


①과 ②로 표시한 MHA(Multi-Head Attention)층의 "Self-Attention"은 transformer의 main idea이다.

이제 전반적인 Transformer의 Architecture를 보았으니 좀 더 세부적으로 Encoder와 Decoder의 동작에 대해 설명하겠다.

 

 

 

 

 

 

 

[Encoder의 동작과정]

🧐  Input Embedding. &. Positional Encoding
encoder는 입력문장의 단어를 임베딩 후 d_model차원의 벡터로 변환한다. (논문에서는 d=512로 설정)
또한, 모든 단어를 "한번에 입력"하기 위해 문장을 T×d_model 크기의 S 행렬로 표현한다. (이때, T는 단어의 개수이다.)

행렬 S의 모든 행이 동시에 처리되서 순서정보를 신경망이 얻지 못할 가능성을 배제하기 위해 위치정보를 표현한 행렬 P를 S행렬에 더해 X행렬을 만들고 X를 신경망에 입력한다. 이때, 3가지 행렬 모두 같은 size를 갖는다.
이 과정을 "Positional Encoding"이라 한다.

위치행렬 P를 생성하는 여러 방법 중, 아래 식과 같은 sin, cos함수를 사용한다.

🧐  Self-Attention
X행렬에 대해 ①의 MHA로 "Self-Attention"을 수행한다.


Self-Attention을 구현하는 여러 방법 중 transformer architecture를 소개한 "Attention is All You Need"논문에서 다룬 "Scaled dot-product Attention"이 가장 일반적이며 이 메커니즘은 4단계로 구현된다.

 - 각 token embedding을 Q, K, V 3개의 벡터로 투영

 - Attention Score 계산: similarity function를 사용해 Q와 K가 얼마나 관련되는지 계산
   이때, QK의 dot곱 값이 커지면 비슷하다는 것을 의미한다.
   또한, n개의 input token이 있는 sequence일때, 크기가 n×n인 attention matrix가 생성된다.

 - Attention weight를 계산: 일반적으로 dot곱은 임의의 큰 수를 생성→ 훈련과정이 불안정해진다.
  이를 처리하기 위해 Attention score에 scaling factor(인자)를 곱해 분산을 정규화하고 softmax를 적용해 모든 열 합이 1이 되게 한다.
  이를 통해 만들어진 n×n행렬에는 attention weight wij가 넣어진다.

  - token embedding update, attention weight가 계산되면 벡터 v를 곱한다. 




"Self-Attention의 본질"

이때, query는 확장이 필요한데, 하나의 벡터 q로 표현하는 Bahdanau attention과 달리 Self-Attention에서는 query가 T개의 행을 갖는 행렬 Q가 되기에 확장된 query행렬은 다음과 같이 나타내며, 이때 Q, K, V는 모두 T×d_model크기의 행렬이고 이 식의 결과인 C도 T×d_model행렬이다.

"Self-Attention 구현의 가장 단순한 방법"은 바로 Q, K, V를 모두 X로 설정하고 위의 식을 적용하는 것이다.
하지만 transformer는 이런 단순한 방법이 아닌 query, key, value를 가중치 행렬 WQ, WK, WV를 이용해 X를 변환해 사용하며, 이때, QKT는 √d_key로 나누어 정규화를 거친다. 
이를 식으로 나타내면 아래와 같다.

X:  T × d_model 행렬
WQ:  d_model × d_key 행렬
WV:  d_model × d_value 행렬
Q, K: T × d_key 행렬
V:  T × d_value 행렬
(보통 d_model > d_value, d_key 로 설정한다.)

🧐  Multi-Head Attention

Architecture에서 ①로 표시한 MHA에는 여러 head가 있으며 각 head는 고유한 transform matrix WQ, WK, WV를 갖고 softmax식을 이용해 "Self-Attention"을 독립적으로 수행해 상호보완한다.
즉, 여러 head로 self-attention을 진행, 결과를 결합해 성능향상을 진행시킨다.

따라서 MHA의 동작을 아래와 같은 식으로 정의한다.

예를 들어보자.

이후 MHA를 통과한 C행렬은 Add&Norm층을 통과하는데, Skip connection과 Layer Normalization을 진행한다.
- Skip-connection: MHA층의 출력특징맵 C와 입력특징맵 X를 더하는 연산
- Layer Normalization: mini-batch를 구성하는 sample별로 특징맵의 분포가 N(0,1)이 되게하는 방법이다.

🧐 position-wise FeedForward layer
MHA에서 사용된 아래 식에 따라 출력한 X'을 입력으로 받아 X''을 출력한다.
아래 X''을 구하는 식을 보면 MLP를 구하는 방법처럼 linear transformation을 사용하는 것을 알 수 있다.

X와 X''은 모두 encoder의 최초 입력 X와 같이 Txd의 행렬이다.
이는 transformer가 신경망을 흐르는 tensor의 모양이 유지시켜 행렬연산이 원활히 이루어짐을 알 수 있다.


position-wise FF라 부르는 이유??

 

 

 

[Decoder의 동작과정]

encoder와 거의 비슷하게 동작하기에 다른 부분에 주안점을 두어 설명을 진행한다.

🧐  Masked Multi-Head Attention 층
Decoder에 ②로 표시된 Masked MHA층은 행렬일부를 마스크로 가린다는 점을 제외하면 ①의 MHA층과 같다. 
i = 1일 때, <SOS>를 입력하면 모델은 'That'을 예측하고
i = 2일 때, 'That'을 보고 'can't'를 예측하는 이런 방식을 재귀적으로 수행하는 자귀회귀방식을 적용해 언어번역을 진행한다.

다만, 학습단계는 추론단계와 상황이 다른데,
- 예측단계는 출력문장을 모른채 동작하지만
- 학습단계는 입출력문장이 모두 주어지고 자귀회귀방식을 사용가능하다.
(다만 교사강요; teacher forcing방식을 주로 사용한다.)
이는 잘못 예측했을 경우, 이후 단어는 계속 틀릴 가능성이 높기 때문이다.
교사강요에서는 '<SOS> That can't turn red by itself <EOS>'를 decoder에 한꺼번에 입력한다.


transformer도 교사강요로 학습을 수행하는데, 예측단계의 자기회귀를 모사한 "Masking"을 사용한다.

Masked MHA층은 이 행렬의 대각윗행렬의 모든 원소를 무한대에 가까운 음수로 설정하면, 이전에 나온 단어들에만 주목할 수 있게 되는데, 예를 들어보면 아래와 같다.

🧐 Encoder와 연결된 Multi-Head Attention 층 (Not Self-Attention)
위의 그림에서 ③으로 표시된 MHA층은 encoder와 decoder가 상호작용한다.
①: 이 MHA층은 입력문장내의 단어간의 Attention을 처리하는 "Self-Attention"이다.
②: 이 MHA층은 출력문장내의 단어간의 Attention을 처리하는 "Self-Attention"이다.
③: 이 MHA층은 Decoder로 입력된 문장의 단어가 Encoder로 입력된 문장의 단어에 주목할 정보를 처리한다.
"Self-Attention"이라는 점만 제외하고 모든 연산은 ①과 ②의 MHA층과 동일하다.

①에서의 식은 "Self-Attention"을 처리하기에 같은 문장에서 구한 행렬 X만 존재한다.
∴ query와 key, value 계산 시 모두 X를 사용한다.

하지만 ③의 MHA층은 encoder의 X와 decoder의 X가 존재한다.
이를 구별하기 위해 X_enc, X_dec라 할 때,  key와 value는 X_enc를 사용하고 query는 X_dec를 사용한다.
이를 통해 query가 key와 value에 주목하는 정도를 계산할 수 있으며 아래와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 MHA층의 출력 행렬은 Architecture에서 볼 수 있듯 Add&Norm층, FC층, Add&Norm층을 거친 후 Linear와 softmax로 구성된 출력층으로 전달된다.

 

 

 

[Transformer의 주요 도전과제]

언어
 - pretrain이 대부분 영어로 되어 data가 소량이거나 거의 없을 때


Data 가용성
- labeling된 data가 없거나 소량인 경우


긴 문서 처리
- Self-Attention의 경우, text길이가 문단정도될 때, 잘 동작
- 문서와 같이 긴 text는 cost가 많이 든다.


불투명성
- 다른 Deep Learning모델과 마찬가지로 Black-Box모델이다.
- 즉, 모델의 예측이유를 설명하기 어렵거나 불가하다.


편향
- 인터넷의 text data로 pretrain을 진행하기에 data에 있는 편향이 모델에 그대로 전이될 수 있다.

 

 

[구현을 통한 예시 증명과정]

import scipy.special as sp

# Self-Attention(single_head)
def self_attention(X, Wq, Wk, Wv, d_key):
    Q = np.matmul(X, Wq)
    K = np.matmul(X, Wk)
    V = np.matmul(X, Wv)
    
    QK = np.matmul(Q, np.transpose(K))
    a = sp.softmax(QK / np.sqrt(d_key), axis=1) # attention vector
    c = np.matmul(a, V) # context vector
    
    return Q, K, V, a, c
    
    
    X = [[0.0, 0.6, 0.3, 0.0],
     [0.1, 0.9, 0.0, 0.0],
     [0.0, 0.1, 0.8, 0.1],
     [0.3, 0.0, 0.6, 0.0],
     [0.0, 0.1, 0.0, 0.9]]
     

d_key = 2

Wq_1 = [[1,0],
      [1,0],
      [0,1],
      [0,3]]

Wk_1 = [[0,1],
      [1,0],
      [1,0],
      [0,2]]

Wv_1 = [[1,2],
      [0,1],
      [1,0],
      [0,0]]
      
Wq_2 = [[0,1],
      [0,3],
      [1,0],
      [1,0]]

Wk_2 = [[1,0],
      [1,2],
      [1,0],
      [0,1]]

Wv_2 = [[1,1],
      [0,0],
      [1,1],
      [1,0]]

Q1,K1,V1,A1,C1 = self_attention(X, Wq_1, Wk_1, Wv_1, d_key)
Q2,K2,V2,A2,C2 = self_attention(X, Wq_2, Wk_2, Wv_2, d_key)
C_concat = np.concatenate([C1, C2], axis=1)
Wo = [[0.1, 0.3, 0.5, 0.2],
      [0.1, 0.1, 0.0, 0.2],
      [0.2, 0.1, 0.6, 0.3],
      [0.5, 0.3, 0.1, 0.0]]
      
      
C = np.round(np.matmul(C_concat, Wo), 4)
C
array([[0.2738, 0.2756, 0.452 , 0.2934],
       [0.2362, 0.2629, 0.4152, 0.2847],
       [0.3769, 0.3007, 0.5142, 0.295 ],
       [0.3909, 0.3305, 0.5584, 0.3299],
       [0.3374, 0.2203, 0.412 , 0.216 ]])

 

 

 

 

 

 

가장 유명한 transformer architecture 모델로 다음 3가지를 꼽을 수 있다.

[GPT  &  BERT  &  BART] 

[GPT] - Decoder유형_(autoregressive attention)

- Thanks for lunch, I had a ... 같은 "시작 text가 주어지면 가장 가능성 있는 다음단어를 예측"하는 식으로 시퀀스를 자동완성

- transformer architecture의 decoder부분만 사용하고 ULMFiT같은 언어 모델링 방법을 사용

- GPT가 pretrain한 BookCorpus dataset은 도서 약 7000권으로 구성

 

[BERT] - Encoder유형_(bidirectional attention)

- text classification, 개체명 인식과 같은 "text sequence input을 풍부한 수치적 표현으로 변환"하는 task에 잘 맞는다.

- transformer architecture의 encoder부분을 사용하고 masked language modeling이라는 특별한 언어 모델링 방법을 사용하며 GPT와 달리 BookCorpus는 물론, Wikipedia로도 pretrain을 진행하였다.

ex) I looked at my [MASK] and saw that [MASK] was late

- 변종: RoBERTa, DistilBERT, ...

 

 

[BART,  T5] - Encoder-Decoder유형

- 한 text sequence를 다른 sequence로 mapping하는 복잡한 모델링에 사용하는 유형으로 기계번역과 요약작업에 적합하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

[Hugging Face Transformers] 

서로 호환되지 않는 framework(e.g Tensorflow, Pytorch)를 사용해 model을 배포하면 자신의 application에 포킹하기 쉽지 않았고, Hugging Face(🤗)의 트랜스포머로 단일화된 API를 구축하였다.

 허깅페이스 라이브러리는 다음 3가지 Deep Learning framework를 지원한다. 추가적으로 프레임워크 전환이 용이하다.

 - Pytorch

 - Tensorflow

 - JAX