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注意力线性化不再一视同仁:少数离群维度单独分组,Qwen2.5-0.5B困惑度从31.71降到27.50

核心概要

预训练注意力的近似误差集中在少数高贡献的查询—键维度上,按贡献分组共享系数的二次核在Qwen2.5-0.5B上把冻结注意力相对MSE降到0.432,并在替换中间层注意力后把WikiText-103困惑度从31.71降到27.50。

Source-provided article image: Not All Dimensions Are Equal: Outlier-Aware Attention Linearization with Grouped Quadratic Kernels
Figure 3 · arXiv

深度剖析

注意力线性化把softmax注意力换成可分离的查询、键特征,从而按序列长度线性计算,但换掉之后预训练注意力的行为能否保住一直是难点。 此前的线性化方法用向量级特征映射或对聚合后的查询—键得分做低阶多项式,参数化并没有围绕各查询—键维度的贡献差异来组织。 在Qwen2.5-0.5B冻结注意力状态上,OAL的注意力输出相对MSE为0.432,低于DiJiang的0.474、TaylorShift的0.490、Performer的0.569和SpectraFormer的0.585。

方法把二次核的系数按维度拆开,让少数贡献特别大的维度用与其他维度不同的系数,同时保持可分离求值。 全局二次核让所有线性项共享一个系数、所有二次交互共享一个系数,OAL则放松这一共享,为每个维度和维度对引入独立系数。 在Qwen2.5-0.5B与Llama-3.2-1B上,替换中间层注意力并用相同LoRA预算联合微调后,OAL的WikiText-103困惑度分别为27.50和32.99,低于学习到的全局二次核的31.71和36.03,也低于Performer、SpectraFormer、DiJiang与TaylorShift。

维度按校准贡献得分排序后分组,贡献相近的维度共享系数,高贡献尾部单独细分,组数在拟合与适配期间固定不变。 完全按维度独立的二次核需要大量系数,而贡献分布显示大部分灵活性可以共享。 Qwen2.5-0.5B每个头得到2至5组,Llama-3.2-1B为2至4组;在代表性头上,少量分组已能拿到大部分误差下降,继续增加组数收益递减。

启示与展望

报告的范围是0.5B至1B的骨干:Qwen2.5-0.5B与Llama-3.2-1B,采用保留首尾softmax层的混合替换协议,并在WikiText-103上以匹配的LoRA预算适配。冻结注意力保真度在Qwen2.5-0.5B Base的第4、12、20层全部查询头上评估,查询与键取RoPE之后。运行时与显存测量是注意力算子层面的前向测量,不是端到端模型延迟或逐token解码延迟。作者提出后续在更大规模和更长上下文的模型上评估OAL,并探索更紧凑的二次循环状态实现。

实验只覆盖0.5B至1B骨干,更大规模上的表现尚未验证。相对LoRA适配的softmax参考,两个骨干上仍存在转换差距。运行时与显存对比反映的是各自实现,数值精度与优化程度不同,因此跨方法差距不能只归因于核的形式。分组预算诊断只针对一个代表性头,且运行时基准使用固定的五组配置,并未执行转换模型中所有已校准头的异构分组配置。