[Deep Learning - NLP] Transformer

Transformer란?

Attention 매커니즘을 극대화 시킨 모델

▶  Encoder Sub-layer

Mult - Head ( Self ) Attention과 Feed Forward 두 개의 층으로 구성

def encoder_layer(dff, d_model, num_heads, dropout, name="encoder_layer"):
  inputs = tf.keras.Input(shape=(None, d_model), name="inputs")

  # 인코더는 패딩 마스크 사용
  padding_mask = tf.keras.Input(shape=(1, 1, None), name="padding_mask")

  # 멀티-헤드 어텐션 (첫번째 서브층 / 셀프 어텐션)
  attention = MultiHeadAttention(
      d_model, num_heads, name="attention")({
          'query': inputs, 'key': inputs, 'value': inputs, # Q = K = V
          'mask': padding_mask # 패딩 마스크 사용
      })

  # 드롭아웃 + 잔차 연결과 층 정규화
  attention = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(attention)
  attention = tf.keras.layers.LayerNormalization(
      epsilon=1e-6)(inputs + attention)

  # 포지션 와이즈 피드 포워드 신경망 (두번째 서브층)
  outputs = tf.keras.layers.Dense(units=dff, activation='relu')(attention)
  outputs = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)(outputs)

  # 드롭아웃 + 잔차 연결과 층 정규화
  outputs = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(outputs)
  outputs = tf.keras.layers.LayerNormalization(
      epsilon=1e-6)(attention + outputs)

  return tf.keras.Model(
      inputs=[inputs, padding_mask], outputs=outputs, name=name)

'''
인코더 쌓기
'''
def encoder(vocab_size, num_layers, dff,
            d_model, num_heads, dropout,
            name="encoder"):
  inputs = tf.keras.Input(shape=(None,), name="inputs")

  # 인코더는 패딩 마스크 사용
  padding_mask = tf.keras.Input(shape=(1, 1, None), name="padding_mask")

  # 포지셔널 인코딩 + 드롭아웃
  embeddings = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, d_model)(inputs)
  embeddings *= tf.math.sqrt(tf.cast(d_model, tf.float32))
  embeddings = PositionalEncoding(vocab_size, d_model)(embeddings)
  outputs = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(embeddings)

  # 인코더를 num_layers개 쌓기
  for i in range(num_layers):
    outputs = encoder_layer(dff=dff, d_model=d_model, num_heads=num_heads,
        dropout=dropout, name="encoder_layer_{}".format(i),
    )([outputs, padding_mask])

  return tf.keras.Model(
      inputs=[inputs, padding_mask], outputs=outputs, name=name)

▶  Decoder  Sub-layer

Masked Multi - Head ( Self ) Attention과 Mult - Head ( Encoder - Decoder ) Attention, Feed Forword 세개의 층으로 구성

 

def decoder_layer(dff, d_model, num_heads, dropout, name="decoder_layer"):
  inputs = tf.keras.Input(shape=(None, d_model), name="inputs")
  enc_outputs = tf.keras.Input(shape=(None, d_model), name="encoder_outputs")

  # 룩어헤드 마스크(첫번째 서브층)
  look_ahead_mask = tf.keras.Input(
      shape=(1, None, None), name="look_ahead_mask")

  # 패딩 마스크(두번째 서브층)
  padding_mask = tf.keras.Input(shape=(1, 1, None), name='padding_mask')

  # 멀티-헤드 어텐션 (첫번째 서브층 / 마스크드 셀프 어텐션)
  attention1 = MultiHeadAttention(
      d_model, num_heads, name="attention_1")(inputs={
          'query': inputs, 'key': inputs, 'value': inputs, # Q = K = V
          'mask': look_ahead_mask # 룩어헤드 마스크
      })

  # 잔차 연결과 층 정규화
  attention1 = tf.keras.layers.LayerNormalization(
      epsilon=1e-6)(attention1 + inputs)

  # 멀티-헤드 어텐션 (두번째 서브층 / 디코더-인코더 어텐션)
  attention2 = MultiHeadAttention(
      d_model, num_heads, name="attention_2")(inputs={
          'query': attention1, 'key': enc_outputs, 'value': enc_outputs, # Q != K = V
          'mask': padding_mask # 패딩 마스크
      })

  # 드롭아웃 + 잔차 연결과 층 정규화
  attention2 = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(attention2)
  attention2 = tf.keras.layers.LayerNormalization(
      epsilon=1e-6)(attention2 + attention1)

  # 포지션 와이즈 피드 포워드 신경망 (세번째 서브층)
  outputs = tf.keras.layers.Dense(units=dff, activation='relu')(attention2)
  outputs = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)(outputs)

  # 드롭아웃 + 잔차 연결과 층 정규화
  outputs = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(outputs)
  outputs = tf.keras.layers.LayerNormalization(
      epsilon=1e-6)(outputs + attention2)

  return tf.keras.Model(
      inputs=[inputs, enc_outputs, look_ahead_mask, padding_mask],
      outputs=outputs,
      name=name)

'''
디코더 쌓기
'''
def decoder(vocab_size, num_layers, dff,
            d_model, num_heads, dropout,
            name='decoder'):
  inputs = tf.keras.Input(shape=(None,), name='inputs')
  enc_outputs = tf.keras.Input(shape=(None, d_model), name='encoder_outputs')

  # 디코더는 룩어헤드 마스크(첫번째 서브층)와 패딩 마스크(두번째 서브층) 둘 다 사용.
  look_ahead_mask = tf.keras.Input(
      shape=(1, None, None), name='look_ahead_mask')
  padding_mask = tf.keras.Input(shape=(1, 1, None), name='padding_mask')

  # 포지셔널 인코딩 + 드롭아웃
  embeddings = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, d_model)(inputs)
  embeddings *= tf.math.sqrt(tf.cast(d_model, tf.float32))
  embeddings = PositionalEncoding(vocab_size, d_model)(embeddings)
  outputs = tf.keras.layers.Dropout(rate=dropout)(embeddings)

  # 디코더를 num_layers개 쌓기
  for i in range(num_layers):
    outputs = decoder_layer(dff=dff, d_model=d_model, num_heads=num_heads,
        dropout=dropout, name='decoder_layer_{}'.format(i),
    )(inputs=[outputs, enc_outputs, look_ahead_mask, padding_mask])

  return tf.keras.Model(
      inputs=[inputs, enc_outputs, look_ahead_mask, padding_mask],
      outputs=outputs,
      name=name)

▶ Positional Encoder ( 위치 인코딩 ) 

단어의 상대적인 위치 정보를 만드는 과정

class PositionalEncoding(tf.keras.layers.Layer):
  def __init__(self, position, d_model):
    super(PositionalEncoding, self).__init__()
    self.pos_encoding = self.positional_encoding(position, d_model)

  def get_angles(self, position, i, d_model):
    angles = 1 / tf.pow(10000, (2 * (i // 2)) / tf.cast(d_model, tf.float32))
    return position * angles

  def positional_encoding(self, position, d_model):
    angle_rads = self.get_angles(
        position=tf.range(position, dtype=tf.float32)[:, tf.newaxis],
        i=tf.range(d_model, dtype=tf.float32)[tf.newaxis, :],
        d_model=d_model)

    # 배열의 짝수 인덱스(2i)에는 사인 함수 적용
    sines = tf.math.sin(angle_rads[:, 0::2])

    # 배열의 홀수 인덱스(2i+1)에는 코사인 함수 적용
    cosines = tf.math.cos(angle_rads[:, 1::2])

    angle_rads = np.zeros(angle_rads.shape)
    angle_rads[:, 0::2] = sines
    angle_rads[:, 1::2] = cosines
    pos_encoding = tf.constant(angle_rads)
    pos_encoding = pos_encoding[tf.newaxis, ...]

    print(pos_encoding.shape)
    return tf.cast(pos_encoding, tf.float32)

  def call(self, inputs):
    return inputs + self.pos_encoding[:, :tf.shape(inputs)[1], :]

Attention이란?

인코더에서의 전체 입력 문장을 다시 한 번 참고하는 것

▶ Self - Attention

→ 쿼리 : 분석 하고자 하는 단어에 가중치 벡터

→ 키 : 각 단어가 쿼리에 해당하는 단어와 얼마나 연관있는지를 비교하기 위한 가중치 벡터

→ 벨류 : 각 단어의 의미를 살려주기 위한 가중치 벡터

dict = {"a" : 1} # Key "a", Value 1
dict["a"] # Query

▶ Multi - Head Attention

여러 개의 Attention 매커니즘을 동시에 병렬적으로 실행

def scaled_dot_product_attention(query, key, value, mask):
  # query 크기 : (batch_size, num_heads, query의 문장 길이, d_model/num_heads)
  # key 크기 : (batch_size, num_heads, key의 문장 길이, d_model/num_heads)
  # value 크기 : (batch_size, num_heads, value의 문장 길이, d_model/num_heads)
  # padding_mask : (batch_size, 1, 1, key의 문장 길이)

  # Q와 K의 곱. 어텐션 스코어 행렬.
  matmul_qk = tf.matmul(query, key, transpose_b=True)

  # 스케일링
  # dk의 루트값으로 나눠준다.
  depth = tf.cast(tf.shape(key)[-1], tf.float32)
  logits = matmul_qk / tf.math.sqrt(depth)

  # 마스킹. 어텐션 스코어 행렬의 마스킹 할 위치에 매우 작은 음수값을 넣는다.
  # 매우 작은 값이므로 소프트맥스 함수를 지나면 행렬의 해당 위치의 값은 0이 된다.
  if mask is not None:
    logits += (mask * -1e9)

  # 소프트맥스 함수는 마지막 차원인 key의 문장 길이 방향으로 수행된다.
  # attention weight : (batch_size, num_heads, query의 문장 길이, key의 문장 길이)
  attention_weights = tf.nn.softmax(logits, axis=-1)

  # output : (batch_size, num_heads, query의 문장 길이, d_model/num_heads)
  output = tf.matmul(attention_weights, value)

  return output, attention_weights

class MultiHeadAttention(tf.keras.layers.Layer):

  def __init__(self, d_model, num_heads, name="multi_head_attention"):
    super(MultiHeadAttention, self).__init__(name=name)
    self.num_heads = num_heads
    self.d_model = d_model

    assert d_model % self.num_heads == 0

    # d_model을 num_heads로 나눈 값.
    # 논문 기준 : 64
    self.depth = d_model // self.num_heads

    # WQ, WK, WV에 해당하는 밀집층 정의
    self.query_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)
    self.key_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)
    self.value_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)

    # WO에 해당하는 밀집층 정의
    self.dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)

  # num_heads 개수만큼 q, k, v를 split하는 함수
  def split_heads(self, inputs, batch_size):
    inputs = tf.reshape(
        inputs, shape=(batch_size, -1, self.num_heads, self.depth))
    return tf.transpose(inputs, perm=[0, 2, 1, 3])

  def call(self, inputs):
    query, key, value, mask = inputs['query'], inputs['key'], inputs[
        'value'], inputs['mask']
    batch_size = tf.shape(query)[0]

    # 1. WQ, WK, WV에 해당하는 밀집층 지나기
    # q : (batch_size, query의 문장 길이, d_model)
    # k : (batch_size, key의 문장 길이, d_model)
    # v : (batch_size, value의 문장 길이, d_model)
    # 참고) 인코더(k, v)-디코더(q) 어텐션에서는 query 길이와 key, value의 길이는 다를 수 있다.
    query = self.query_dense(query)
    key = self.key_dense(key)
    value = self.value_dense(value)

    # 2. 헤드 나누기
    # q : (batch_size, num_heads, query의 문장 길이, d_model/num_heads)
    # k : (batch_size, num_heads, key의 문장 길이, d_model/num_heads)
    # v : (batch_size, num_heads, value의 문장 길이, d_model/num_heads)
    query = self.split_heads(query, batch_size)
    key = self.split_heads(key, batch_size)
    value = self.split_heads(value, batch_size)

    # 3. 스케일드 닷 프로덕트 어텐션. 앞서 구현한 함수 사용.
    # (batch_size, num_heads, query의 문장 길이, d_model/num_heads)
    scaled_attention, _ = scaled_dot_product_attention(query, key, value, mask)
    # (batch_size, query의 문장 길이, num_heads, d_model/num_heads)
    scaled_attention = tf.transpose(scaled_attention, perm=[0, 2, 1, 3])

    # 4. 헤드 연결(concatenate)하기
    # (batch_size, query의 문장 길이, d_model)
    concat_attention = tf.reshape(scaled_attention,
                                  (batch_size, -1, self.d_model))

    # 5. WO에 해당하는 밀집층 지나기
    # (batch_size, query의 문장 길이, d_model)
    outputs = self.dense(concat_attention)

    return outputs

▶ Layer Normalization & Skip Connection

→ Layer Normalization

Layer Normalization ≒ Batch Normalization

→ Skip Connection 

역전파 과정에서 정보손실을 줄임

▶ Feed Forward Neural Network ( FFNN )

차원을 다시 원래대로 줄임

▶ Masked Self - Attention

Self - Attention에 영향을 주지 않도록 Masking ( 가려주고 싶은 요소에 매우 작은 수를 더해줌 )을 해줌

▶ Encoder - Decoder Attention

출처 https://jalammar.github.io/illustrated-transformer/

▶ Linear & Softmax Layer

Softmax를 통해 예측할 단어의 확률을 구함

Transformer 코드로 구현 ( Keras )

def transformer(vocab_size, num_layers, dff,
                d_model, num_heads, dropout,
                name="transformer"):

  # 인코더의 입력
  inputs = tf.keras.Input(shape=(None,), name="inputs")

  # 디코더의 입력
  dec_inputs = tf.keras.Input(shape=(None,), name="dec_inputs")

  # 인코더의 패딩 마스크
  enc_padding_mask = tf.keras.layers.Lambda(
      create_padding_mask, output_shape=(1, 1, None),
      name='enc_padding_mask')(inputs)

  # 디코더의 룩어헤드 마스크(첫번째 서브층)
  look_ahead_mask = tf.keras.layers.Lambda(
      create_look_ahead_mask, output_shape=(1, None, None),
      name='look_ahead_mask')(dec_inputs)

  # 디코더의 패딩 마스크(두번째 서브층)
  dec_padding_mask = tf.keras.layers.Lambda(
      create_padding_mask, output_shape=(1, 1, None),
      name='dec_padding_mask')(inputs)

  # 인코더의 출력은 enc_outputs. 디코더로 전달된다.
  enc_outputs = encoder(vocab_size=vocab_size, num_layers=num_layers, dff=dff,
      d_model=d_model, num_heads=num_heads, dropout=dropout,
  )(inputs=[inputs, enc_padding_mask]) # 인코더의 입력은 입력 문장과 패딩 마스크

  # 디코더의 출력은 dec_outputs. 출력층으로 전달된다.
  dec_outputs = decoder(vocab_size=vocab_size, num_layers=num_layers, dff=dff,
      d_model=d_model, num_heads=num_heads, dropout=dropout,
  )(inputs=[dec_inputs, enc_outputs, look_ahead_mask, dec_padding_mask])

  # 다음 단어 예측을 위한 출력층
  outputs = tf.keras.layers.Dense(units=vocab_size, name="outputs")(dec_outputs)

  return tf.keras.Model(inputs=[inputs, dec_inputs], outputs=outputs, name=name)

참고

https://wikidocs.net/31379

딥 러닝을 이용한 자연어 처리 입문