In modern machine learning, inner product attention computation is a fundamental task for training large language models such as Transformer, GPT-1, BERT, GPT-2, GPT-3 and ChatGPT. Formally, in this problem, one is given as input three matrices $Q, K, V \in [-B,B]^{n \times d}$, and the goal is to construct the matrix $\mathrm{Att}(Q,K,V) := \mathrm{diag}(A {\bf 1}_n)^{-1} A V \in \mathbb{R}^{n \times d}$, where $A = \exp(QK^\top/d)$ is the `attention matrix', and $\exp$ is applied entry-wise. Straightforward methods for this problem explicitly compute the $n \times n$ attention matrix $A$, and hence require time $\Omega(n^2)$ even when $d = n^{o(1)}$ is small. In this paper, we investigate whether faster algorithms are possible by implicitly making use of the matrix $A$. We present two results, showing that there is a sharp transition at $B = \Theta(\sqrt{\log n})$. $\bullet$ If $d = O(\log n)$ and $B = o(\sqrt{\log n})$, there is an $n^{1+o(1)}$ time algorithm to approximate $\mathrm{Att}(Q,K,V)$ up to $1/\mathrm{poly}(n)$ additive error. $\bullet$ If $d = O(\log n)$ and $B = \Theta (\sqrt{\log n})$, assuming the Strong Exponential Time Hypothesis from fine-grained complexity theory, it is impossible to approximate $\mathrm{Att}(Q,K,V)$ up to $1/\mathrm{poly}(n)$ additive error in truly subquadratic time $n^{2 - \Omega(1)}$. This gives a theoretical explanation for the phenomenon observed in practice that attention computation is much more efficient when the input matrices have smaller entries.


翻译:在现代机器学习中,内积注意力计算是训练大型语言模型(如Transformer、GPT-1、BERT、GPT-2、GPT-3和ChatGPT)的基础任务。形式化地,该问题中给定三个输入矩阵 $Q, K, V \in [-B,B]^{n \times d}$,目标是构造矩阵 $\mathrm{Att}(Q,K,V) := \mathrm{diag}(A {\bf 1}_n)^{-1} A V \in \mathbb{R}^{n \times d}$,其中 $A = \exp(QK^\top/d)$ 为"注意力矩阵",$\exp$ 按元素逐次应用。直接求解此问题的常规方法需显式计算 $n \times n$ 的注意力矩阵 $A$,因此即使当 $d = n^{o(1)}$ 较小时仍需要 $\Omega(n^2)$ 时间。本文研究能否通过隐式利用矩阵 $A$ 来实现更快的算法。我们给出两个结果,表明在 $B = \Theta(\sqrt{\log n})$ 处存在锐利转变: $\bullet$ 若 $d = O(\log n)$ 且 $B = o(\sqrt{\log n})$,存在 $n^{1+o(1)}$ 时间的算法,以 $1/\mathrm{poly}(n)$ 加法误差近似 $\mathrm{Att}(Q,K,V)$。 $\bullet$ 若 $d = O(\log n)$ 且 $B = \Theta (\sqrt{\log n})$,假设精细复杂度理论中的强指数时间假设,则无法在真正次二次时间 $n^{2 - \Omega(1)}$ 内以 $1/\mathrm{poly}(n)$ 加法误差近似 $\mathrm{Att}(Q,K,V)$。这从理论上解释了实践中观察到的现象:当输入矩阵具有更小条目时,注意力计算会高效得多。

0
下载
关闭预览

相关内容

《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月27日
Effective resistance in metric spaces
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月27日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月26日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月23日
VIP会员
最新内容
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:04
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
6+阅读 · 今天13:49
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
5+阅读 · 今天13:37
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
专知会员服务
5+阅读 · 今天13:11
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
7+阅读 · 5月29日
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
5+阅读 · 5月29日
“史诗怒火行动”中美军损失的作战飞机
专知会员服务
6+阅读 · 5月29日
ICML 2026 | 理解上下文持续学习中的泛化与遗忘
专知会员服务
5+阅读 · 5月28日
相关VIP内容
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员