Google Brain提出基于固定尺寸记忆表示的注意力模型，翻译任务推理速度提高20%

Attention模型是近些年来自然语言处理领域重要的进展之一。注意力模型是从认知心理学中人脑注意力模型中引入的概念，在人观察世界时，对不同对象的关注程度是不同的，比如你在看书仔细品味文章中的一句话时，虽然你能看到整页的文字，但是注意力的焦点集中在这个句子上，其他文字虽然还在你的眼中，但是实际分配到的注意力是很少的。自然语言处理中也是同理，输入文本的不同部分对输出的贡献是不同的，即需要分配的注意力权重不同。使用注意力模型能够得到更好的生成结果。

由于标准的基于内容的attention机制主要应用在sequence-to-sequence模型中，由于该方法需要在每个时间状态下大量比较编码器和解码器的状态，因此需要大量计算资源。Google Brain的研究者Denny Britz， Melody Y. Guan和Minh-Thang Luong提出了固定尺寸记忆表示的高效注意力模型，能够将翻译任务推理速度提高20%。

以下为雷锋网(公众号：雷锋网)AI科技评论据论文内容进行的部分编译。

论文摘要：

Sequence-to-sequence模型在许多任务得到了最好的效果，例如神经机器翻译（Neural Machine Translation，NMT），文本概括（text summarization），语音识别，图像配字幕，以及对话建模等。

最流行的attention方法基于编码器-解码器架构，包含两个循环神经网络和attention机制使得目标与源符号对齐。在这种结构中使用的典型attention机制计算在每个解码步骤中基于解码器当前的状态计算新的attention上下文。更直观的说法是，这对应于每个单个目标符号输出之后查看源序列。

受人类是如何处理句子的启发，研究者认为在每个步骤中可能没有必要回顾整个原始源序列。因此，研究者提出了一种替代attention机制，可以使得计算时间复杂度的降低。该方法在读取源数据时，预测K attention上下文向量。并学习在每个解码步骤中使用这些向量的加权平均值。因此，一旦编码了源序列，就避免回头看。结果显示，这可以加速推理。同时，在玩具数据集和WMT翻译数据集上，该方法达到了与标准attention机制相若的性能。结果还显示，随着序列变长，该机制能够实现更多的加速。最后，通过可视化attention分数，研究人员验证了该技术能够学习有意义的对比，并且不同的attention上下文向量专注于源的不同部分。

上图为该方法与标准注意力模型的结构对比。在编码阶段预测K个attention向量，在解码阶段线性组合这些预测。在上图中K=3。可以将基于记忆的注意力模型解释为“预测”编码期间由标准attention机制产生的一组注意上下文。如上图，K=3，在这种情况下，在编码阶段预测所有3种attention上下文，并在解码过程中学习选择合适的attention上下文，进行线性组合。这中方法比基于解码器编码内同的诸葛计算上下文更加节省计算量。

实验结果

玩具数据集结果：

由于计算时间复杂度的下降，该方法能够得到更高的性能表现，尤其是对于那些较长的序列，或者那些能够被紧凑表示为一个固定尺寸记忆矩阵的任务。为了研究速度和性能之间的权衡，研究者比较了该方法和标准模型在具有和不具有attention的情况下在Sequence Copy Task上的表现。

下表展示了该模型在不同序列长度和K的情况下的BLEU分数。较大的K可以计算复杂的源表示，值为1的K限制了源表示为单个向量。可以看到，性能一直随着K的增加而增加，这取决于数据长度，更长的序列需要更复杂的表示。无论是否具有位置编码，结果在玩具数据集上几乎相同。尽管表示能力较低，但该方法仍与标准attention机制模型一样能够拟合数据。两者都以显著的差距击败non-attention基线。最后一列表明了该方法能够极大的加速推理过程，随着序列长度变长，推理速度的差距越来越大。

下图左侧展示了序列长度为200的学习曲线。可以看到K=1不能拟合数据分布，而K∈{32，64}几乎与基于attention的模型一样快。越大的K能够导致更快的收敛速度，较小的K的性能与non-attention基线相似。右图展示了在softmax和sigmoid之间改变编码器和解码器评分函数的效果。所有组合都可以拟合数据，但有些收敛速度比其他更快。

机器翻译数据集结果：

接下来，研究者测试了基于记忆的attention方法能否拟合复杂的真实数据集。研究人员使用了WMT’15的4个大型机器翻译数据集：English-Czech, EnglishGerman, English-Finish, 和English-Turkish。

上表展示了该模型即使在拥有16K词汇的大型复杂数据集上仍有更快的解码速度。该时间实在整个验证集上测量的解码时间，没有包括模型设置和数据读取的时间，为运行10次的平均时间。数据中平均序列长度为35，对于其他有更长序列长度的任务，该方法应该会有更显著的速度提升。

                 左：en-fi的训练曲线                                                       右：en-tr的训练曲线

上图展示了在编码器和解码器中使用sigmoid和softmax函数的效果。Softmax/softmax的性能表现最差，其他的组合表现几乎相当。

可视化Attention：

上图为在序列长度为100的玩具数据集中对每个样本进行解码的每个步骤中的attention分数。（y轴：源符号; x轴：目标符号）

上图为在序列长度为11的样本上的K=4的解码的每个步骤的attention分数，（y轴：源; x轴：目标）

上图为在使用sigmoid评分函数和K=32的模型下，对每个步骤进行解码的en-de WMT翻译任务的attention分数。左侧子图分别显示每个单独的attention向量，右侧子图显示attention的完整组合。

想要深入了解该方法的请阅读原论文：https://arxiv.org/abs/1707.00110，雷锋网编译