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MHA_MQA_GQA

1.总结

• 在 MHA（Multi Head Attention） 中，每个头有自己单独的 key-value 对；标准的多头注意力机制，h个Query、Key 和 Value 矩阵。
• 在 MQA（Multi Query Attention） 中只会有一组 key-value 对；多查询注意力的一种变体，也是用于自回归解码的一种注意力机制。与MHA不同的是，MQA 让所有的头之间共享同一份 Key 和 Value 矩阵，每个头只单独保留了一份 Query 参数，从而大大减少 Key 和 Value 矩阵的参数量。
• 在 GQA（Grouped Query Attention）中，会对 attention 进行分组操作，query 被分为 N 组，每个组共享一个 Key 和 Value 矩阵GQA将查询头分成G组，每个组共享一个Key 和 Value 矩阵。GQA-G是指具有G组的grouped-query attention。GQA-1具有单个组，因此具有单个Key 和 Value，等效于MQA。而GQA-H具有与头数相等的组，等效于MHA。

GQA-N 是指具有 N 组的 Grouped Query Attention。GQA-1具有单个组，因此具有单个Key 和 Value，等效于MQA。而GQA-H具有与头数相等的组，等效于MHA。

GQA介于MHA和MQA之间。GQA 综合 MHA 和 MQA ，既不损失太多性能，又能利用 MQA 的推理加速。不是所有 Q 头共享一组 KV，而是分组一定头数 Q 共享一组 KV，比如上图中就是两组 Q 共享一组 KV。

2.代码实现

2.1 MHA

多头注意力机制是Transformer模型中的核心组件。在其设计中，"多头"意味着该机制并不只计算一种注意力权重，而是并行计算多种权重，每种权重都从不同的“视角”捕获输入的不同信息。

1. 为输入序列中的每个元素计算q, k, v，这是通过将输入此向量与三个权重矩阵相乘实现的：
   $$\begin{array}{rl}q& =x{W}_q\\ k& =x{W}_k\\ v& =x{W}_v\end{array}$$
   其中，$x$是输入词向量，$W_q$, $W_k$和$W_v$是q, k, v的权重矩阵
2. 计算q, k 注意力得分：$\mathrm{score}(q,k)=\frac{q\cdot k^T}{\sqrt{d_k}}$，其中，$d_k$是k的维度
3. 使用softmax得到注意力权重：$\mathrm{Attention}(q,K)=\mathrm{softmax}(\mathrm{score}(q,k))$
4. 使用注意力权重和v，计算输出：$Output=\mathrm{Attention}(q,K)\cdot V$
5. 拼接多头输出，乘以$W_O$，得到最终输出：$MultiHeadOutput=Concat(Outpu{t}^1,Outpu{t}^2,\dots ,Output{}^H)W_O$

代码实现

import torch
from torch import nn
class MutiHeadAttention(torch.nn.Module):def __init__(self, hidden_size, num_heads):super(MutiHeadAttention, self).__init__()self.num_heads = num_headsself.head_dim = hidden_size // num_heads## 初始化Q、K、V投影矩阵self.q_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)self.k_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)self.v_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)## 输出线性层self.o_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)def forward(self, hidden_state, attention_mask=None):batch_size = hidden_state.size()[0]query = self.q_linear(hidden_state)key = self.k_linear(hidden_state)value = self.v_linear(hidden_state)query = self.split_head(query)key = self.split_head(key)value = self.split_head(value)## 计算注意力分数attention_scores = torch.matmul(query, key.transpose(-1, -2)) / torch.sqrt(torch.tensor(self.head_dim))if attention_mask != None:attention_scores += attention_mask * -1e-9## 对注意力分数进行归一化attention_probs = torch.softmax(attention_scores, dim=-1)output = torch.matmul(attention_probs, value)## 对注意力输出进行拼接output = output.transpose(-1, -2).contiguous().view(batch_size, -1, self.head_dim * self.num_heads)output = self.o_linear(output)return outputdef split_head(self, x):batch_size = x.size()[0]return x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1,2)

2.2 MQA

上图最右侧，直观上就是在计算多头注意力的时候，query仍然进行分头，和多头注意力机制相同，而key和value只有一个头。

正常情况在计算多头注意力分数的时候，query、key的维度是相同的，所以可以直接进行矩阵乘法，但是在多查询注意力（MQA）中，query的维度为 [batch_size, num_heads, seq_len, head_dim]，key和value的维度为 [batch_size, 1, seq_len, head_dim]。这样就无法直接进行矩阵的乘法，为了完成这一乘法，可以采用torch的广播乘法

## 多查询注意力
import torch
from torch import nn
class MutiQueryAttention(torch.nn.Module):def __init__(self, hidden_size, num_heads):super(MutiQueryAttention, self).__init__()self.num_heads = num_headsself.head_dim = hidden_size // num_heads## 初始化Q、K、V投影矩阵self.q_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)self.k_linear = nn.Linear(hidden_size, self.head_dim) ###self.v_linear = nn.Linear(hidden_size, self.head_dim) ##### 输出线性层self.o_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)def forward(self, hidden_state, attention_mask=None):batch_size = hidden_state.size()[0]query = self.q_linear(hidden_state)key = self.k_linear(hidden_state)value = self.v_linear(hidden_state)query = self.split_head(query)key = self.split_head(key, 1)value = self.split_head(value, 1)## 计算注意力分数attention_scores = torch.matmul(query, key.transpose(-1, -2)) / torch.sqrt(torch.tensor(self.head_dim))if attention_mask != None:attention_scores += attention_mask * -1e-9## 对注意力分数进行归一化attention_probs = torch.softmax(attention_scores, dim=-1)output = torch.matmul(attention_probs, value)output = output.transpose(-1, -2).contiguous().view(batch_size, -1, self.head_dim * self.num_heads)output = self.o_linear(output)return outputdef split_head(self, x, head_num=None):batch_size = x.size()[0]if head_num == None:return x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1,2)else:return x.view(batch_size, -1, head_num, self.head_dim).transpose(1,2)

相比于多头注意力，多查询注意力在W_k和W_v的维度映射上有所不同，还有就是计算注意力分数采用的是广播机制，计算最后的output也是广播机制，其他的与多头注意力完全相同。

2.3 GQA

GQA将MAQ中的key、value的注意力头数设置为一个能够被原本的注意力头数整除的一个数字，也就是group数。

不同的模型使用GQA有着不同的实现方式，但是总体的思路就是这么实现的，注意，设置的组一定要能够被注意力头数整除。

## 分组注意力查询
import torch
from torch import nn
class GroupQueryAttention(torch.nn.Module):def __init__(self, hidden_size, num_heads, group_num):super(MutiQueryAttention, self).__init__()self.num_heads = num_headsself.head_dim = hidden_size // num_headsself.group_num = group_num## 初始化Q、K、V投影矩阵self.q_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)self.k_linear = nn.Linear(hidden_size, self.group_num * self.head_dim)self.v_linear = nn.Linear(hidden_size, self.group_num * self.head_dim)## 输出线性层self.o_linear = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)def forward(self, hidden_state, attention_mask=None):batch_size = hidden_state.size()[0]query = self.q_linear(hidden_state)key = self.k_linear(hidden_state)value = self.v_linear(hidden_state)query = self.split_head(query)key = self.split_head(key, self.group_num)value = self.split_head(value, self.group_num)## 计算注意力分数attention_scores = torch.matmul(query, key.transpose(-1, -2)) / torch.sqrt(torch.tensor(self.head_dim))if attention_mask != None:attention_scores += attention_mask * -1e-9## 对注意力分数进行归一化attention_probs = torch.softmax(attention_scores, dim=-1)output = torch.matmul(attention_probs, value)output = output.transpose(-1, -2).contiguous().view(batch_size, -1, self.head_dim * self.num_heads)output = self.o_linear(output)return outputdef split_head(self, x, group_num=None):batch_size,seq_len = x.size()[:2]if group_num == None:return x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1,2)else:x = x.view(batch_size, -1, group_num, self.head_dim).transpose(1,2)x = x[:, :, None, :, :].expand(batch_size, group_num, self.num_heads // group_num, seq_len, self.head_dim).reshape(batch_size, self.num_heads // group_num * group_num, seq_len, self.head_dim)return x