从 GPT-4 的 32k 到谷歌 CoLT5 的 64k 再到最新研究的 200万 token，类ChatGPT 模型们可以处理的文本长度正在急剧增加，这意味着它们的应用范围也越来越广。或许有一天，ChatGPT 能帮乔治·马丁把《冰与火之歌》（权力的游戏）写完呢？
过去两年，斯坦福大学 Hazy Research 实验室一直在从事一项重要的工作：增加序列长度。
他们有一种观点：更长的序列将开启机器学习基础模型的新时代 —— 模型可以从更长的上下文、多种媒体源、复杂的演示等中学习。
目前，这项研究已经取得了新进展。Hazy Research 实验室的 Tri Dao 和 Dan Fu 主导了 FlashAttention 算法的研究和推广，他们证明了 32k 的序列长度是可能的，且在当前这个基础模型时代将得到广泛应用（OpenAI、Microsoft、NVIDIA 和其他公司的模型都在使用 FlashAttention 算法）。
基础模型的上下文长度一直在增长，那下一阶段是什么样？
正如 GPT4 的相关资料所指出的，它允许近 50 页的文本作为上下文，而且像 Deepmind Gato 使用图像作为上下文那样实现 tokenization/patching。
在这篇文章中，作者介绍了关于在高层级上增加序列长度的新方法，并提供了连接一组新原语的「桥梁」。
Transformer 变得越来越深，越来越宽，但在长序列上训练它们仍然很困难。研究人员遇到的一个基本问题是，Transformer 的注意力层在序列长度方面是按二次方比例增长：就是说从 32k 长度增加到 64k 长度，成本不只增加 2 倍，而是增加了 4 倍。因此，这促使研究人员探索具有线性时间复杂度的序列长度模型。在 Hazy Research 实验室，这项工作从 Hippo 开始，然后是 S4、H3，再到现在的 Hyena。这些模型有可能处理数百万、甚至十亿级别的上下文长度。
FlashAttention 可以加速注意力并减少其内存占用 —— 无需任何近似。「自从我们在 6 个月前发布 FlashAttention 以来，我们很高兴看到许多组织和研究实验室采用 FlashAttention 来加速他们的训练和推理。」博客中写道。
FlashAttention 是一种对注意力计算进行重新排序并利用经典技术（平铺、重新计算）加快速度并将内存使用从序列长度的二次减少到线性的算法。对于每个注意力头，为了减少内存读 / 写，FlashAttention 使用经典的平铺技术将查询、键和值块从 GPU HBM（其主内存）加载到 SRAM（其快速缓存），计算关于该块的注意力，并将输出写回 HBM。在大多数情况下，这种内存读 / 写的减少带来了显著的加速（2-4 倍）。
FlashAttention 通过减少 GPU 内存读写来加速注意力。
接下来，让我们看一下研究细节。
Long Range Arena 基准和 S4
谷歌的研究人员在 2020 年推出了 Long Range Arena (LRA) 基准测试，以评估不同模型处理长程依赖的能力。LRA 能够测试一系列任务，涵盖多种不同的数据类型和模式，例如文本、图像和数学表达式，序列长度可达 16K（Path-X：对已展开成像素的图像进行分类，没有任何空间归纳偏置）。关于将 Transformer 扩展到更长的序列方面已经有很多出色的工作，但其中许多似乎会牺牲准确性（如下图所示）。请注意 Path-X 那一列：所有 Transformer 方法及其变体表现甚至不如随机猜测。
在 LRA 数据集上对多种 Transformer 变体进行基准测试，并将它们与 S4 进行比较。
现在让我们认识一下由 Albert Gu 主导研发的 S4。受到 LRA 基准测试结果的启发，Albert Gu 想要找出如何更好地对长程依赖关系建模，在正交多项式和递归模型与卷积模型之间关系的长期研究基础上，推出了 S4—— 一种基于结构化状态空间模型（SSMs）的新的序列模型。
很关键的一点是，SSM 在将长度为 N 的序列拓展到 2N 时的时间复杂度为
，而不像注意力机制一样呈平方级别增长！S4 成功地对 LRA 中的长程依赖进行了建模，并成为首个在 Path-X 上获得高于平均性能的模型（现在可以获得 96.4％的准确度！）。自 S4 发布以来，许多研究人员在此基础上发展和创新，出现了像 Scott Linderman 团队的 S5 模型、Ankit Gupta 的 DSS（以及 Hazy Research 实验室后续的 S4D）、Hasani 和 Lechner 的 Liquid-S4 等新模型。
另外，当 Hazy Research 发布 FlashAttention 时，已经能够增加 Transformer 的序列长度。他们还发现，仅通过将序列长度增加到 16K，Transformer 也能在 Path-X 上获得不凡的表现（63%）。
建模方面的不足
但是 S4 在语言建模方面的质量存在的差距高达 5% 的困惑度（对于上下文，这是 125M 模型和 6.7B 模型之间的差距）。为了缩小这一差距，研究人员研究了诸如联想回忆之类的合成语言，以确定语言应该具备哪些属性。最终设计了 H3（Hungry Hungry Hippos）：一个堆叠两个 SSM 的新层，并将它们的输出与乘法门相乘。
使用 H3，Hazy Research 的研究人员替换了 GPT 式 Transformer 中的几乎所有注意力层，并能够在从 Pile 训练的 400B 规模的 token 时，在困惑度和下游评估方面与 transformer 相媲美。
由于 H3 层建立在 SSM 上，因此在序列长度上，它的计算复杂度也以的速度增长。两个注意力层使得整个模型的复杂度仍然是
，稍后会详细讨论这个问题。
当然，Hazy Research 不是唯一考虑这个方向的人：GSS 也发现带有门控的 SSM 可以与语言建模中的注意力很好地协同工作（这启发了 H3），Meta 发布了 Mega 模型，它也将 SSM 和注意力结合起来，BiGS 模型则替换了 BERT-style 模型中的注意力，而 RWKV 一直在研究完全循环的方法。
新进展：Hyena
根据前面的一系列工作，启发 Hazy Research 的研究人员开发了新的架构：Hyena。他们试图摆脱 H3 中最后两个注意力层，并获得一个几乎呈线性增长的模型，以适应更长的序列长度。事实证明，两个简单的想法是找到答案的关键：
每个 SSM 都可以看作是一个长度与输入序列相同的卷积滤波器。因此，可以用一个大小等于输入序列的卷积来替换 SSM，以获得在相同计算量下更加强大的模型。具体来说，通过另一个小型神经网络来隐式地参数化卷积滤波器，这借鉴了关于神经场文献中的强大方法和 CKConv/FlexConv 的研究成果。此外，卷积可以在 O (NlogN) 的时间内计算，其中 N 是序列长度，实现了近乎线性的扩展；
H3 中的门控行为可以概括为：H3 采用输入的三个投影，并迭代地进行卷积和应用门控。在 Hyena 中，只需添加更多投影和更多的门，这有助于泛化到更具表现力的架构并缩小与注意力的差距。
Hyena 首次提出了完全近线性时间卷积模型，它可以在困惑度和下游任务上与 Transformer 相匹配，并在实验中取得了很好的结果。并且在 PILE 的子集上训练了中小型模型，其表现与 Transformer 相媲美：
通过一些优化（更多内容见下文），在序列长度为 2K 时，Hyena 模型的速度略慢于相同大小的 Transformer，但在更长的序列长度上会更快。
接下来仍需思考的是，究竟能将这些模型推广到什么程度？是否能将它们扩展到 PILE 的全尺寸（400B 个 token）？如果结合 H3 和 Hyena 的思想精华，会发生什么，能走多远？
FFT 还是更基本的方法？
在所有这些模型中，一个常见的基本操作是 FFT，它是高效计算卷积的方式，只需要 O (NlogN) 的时间。然而，FFT 在现代硬件上的支持很差，因为现代硬件主流架构是专用的矩阵乘法单元和 GEMMs（例如 NVIDIA GPU 上的张量核心）。
可以通过将 FFT 重写为一系列矩阵乘法操作来缩小效率差距。研究小组的成员利用蝴蝶矩阵来探索稀疏训练，从而实现这个目标。最近，Hazy Research 研究人员利用这个连接构建了快速卷积算法，例如 FlashConv 和 FlashButterfly，通过使用蝴蝶分解将 FFT 计算转化为一系列矩阵乘法操作。
此外，通过借鉴之前的工作，还能建立更深入的联系：包括让这些矩阵被学习，这同样需要相同的时间，但会增加额外的参数。研究人员已经开始在一些小型数据集上探索这种联系，并取得了初步成效。我们可以清楚地看到这种联系可以带来什么（比如，如何使其适用于语言模型）：
这一扩展值得更深入的探索：这个扩展学习的是哪类转换，它能让你做什么？当将它应用于语言建模时会发生什么？
这些方向都是令人兴奋的，接下来会是越来越长的序列和新的架构，让我们能够进一步探索这个新领域。我们需要特别关注那些能够受益于长序列模型的应用，比如高分辨率成像、新的数据形式，能够阅读整本书的语言模型等等。想象一下，把整本书给语言模型阅读，并让它总结故事情节，或者让一个代码生成模型基于你写的代码来生成新的代码。这些可能的场景非常非常多，都是让人感到非常兴奋的事情。
参考链接：
https://hazyresearch.stanford.edu/blog/2023-03-27-long-learning
https://hazyresearch.stanford.edu/blog/2023-01-12-flashattention-long-sequences
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