一文彻底搞懂深度学习 - 多头注意力（Multi-Head Attention）

在深度学习中，多头注意力（Multi-Head Attention）是一种注意力机制。它是对传统注意力机制的一种改进，旨在通过分割输入特征为多个“头部”（head）并独立处理每个头部来提高模型的表达能力和学习能力。

多头注意力机制已被广泛应用于各种深度学习任务中，包括但不限于机器翻译、文本摘要、语音识别、图像描述生成等。它在Transformer架构中扮演着至关重要的角色，而Transformer架构也已成为许多自然语言处理（NLP）任务的首选模型。

Multi-Head Attention

一、多头注意力机制

多头注意力机制（Multi-Head Attention）是什么？多头注意力机制将输入的特征（通常是查询、键和值）通过多个独立的、并行运行的注意力模块（或称为“头”）进行处理。

每个头都会独立地计算注意力得分，并生成一个注意力加权后的输出。这些输出随后被合并（通常是通过拼接或平均）以形成一个最终的、更复杂的表示。

多头注意力计算过程是什么？多头注意力将输入序列通过线性变换得到查询、键和值矩阵，然后分头进行缩放点积注意力运算，最后将所有头的输出拼接并经过线性变换得到最终输出。

输入变换：输入序列首先通过三个不同的线性变换层，分别得到查询（Query）、键（Key）和值（Value）矩阵。这些变换通常是通过全连接层实现的。
分头：将查询、键和值矩阵分成多个头（即多个子空间），每个头具有不同的线性变换参数。
注意力计算：对于每个头，都执行一次缩放点积注意力（Scaled Dot-Product Attention）运算。具体来说，计算查询和键的点积，经过缩放、加上偏置后，使用softmax函数得到注意力权重。这些权重用于加权值矩阵，生成加权和作为每个头的输出。
拼接与融合：将所有头的输出拼接在一起，形成一个长向量。然后，对拼接后的向量进行一个最终的线性变换，以整合来自不同头的信息，得到最终的多头注意力输出。

多头注意力机制和注意力机制区别是什么？多头注意力机制通过引入多个并行的注意力头，提高了模型对输入数据的全面捕捉和处理能力，使其在处理大规模数据和复杂任务时更具优势。

Transformer多头注意力有多少个Head？Transformer多头注意力中的“头”（Head）的数量是一个超参数，这意味着它可以根据具体任务和数据集的需求进行调整。在Transformer模型中，并没有固定数量的注意力头，而是可以根据实际情况进行配置。

GPT多头注意力有多少个Head？GPT模型中的多头注意力机制的头数量同样是一个超参数，它根据GPT版本和模型配置的不同而有所变化。

GPT-1：GPT-1模型使用了12层的Transformer解码器结构，每层解码器中包含了多头自注意力机制。根据常见的配置，它可能采用了与Transformer模型相似的头数量设置，如8个、16个等。
GPT-2：GPT-2模型在结构上进行了扩展，例如GPT-2 Medium版本使用了24层的Transformer解码器，并且每层中的隐藏层维度为1024。在这个配置下，GPT-2 Medium有16个注意力头。
GPT-3：GPT-3模型在规模和复杂度上进一步增加，使用了更多的层和更大的隐藏层维度。然而，关于GPT-3具体使用了多少个注意力头的详细信息，并没有在公开文档中明确提及。与GPT-1和GPT-2类似，GPT-3的多头注意力头数量也是一个可以根据模型配置进行调整的超参数。