循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)，長短期記憶(LSTM)，這些紅得發(fā)紫的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——是時(shí)候拋棄它們了!LSTM和RNN被發(fā)明于上世紀(jì)80、90年代，于2014年死而復(fù)生。接下來的幾年里，它們成為了解決序列學(xué)習(xí)、序列轉(zhuǎn)換(seq2seq)的方式，這也使得語音到文本識(shí)別和Siri、Cortana、Google語音助理、Alexa的能力得到驚人的提升。

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另外，不要忘了機(jī)器翻譯，包括將文檔翻譯成不同的語言，或者是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器翻譯還可以將圖像翻譯為文本，文字到圖像和字幕視頻等等。

在接下來的幾年里，ResNet出現(xiàn)了。ResNet是殘差網(wǎng)絡(luò)，意為訓(xùn)練更深的模型。2016年，微軟亞洲研究院的一組研究員在ImageNet圖像識(shí)別挑戰(zhàn)賽中憑借驚人的152層深層殘差網(wǎng)絡(luò)(deep residual networks)，以絕對(duì)優(yōu)勢獲得圖像分類、圖像定位以及圖像檢測全部三個(gè)主要項(xiàng)目的冠軍。之后，Attention(注意力)模型出現(xiàn)了。

雖然僅僅過去兩年，但今天我們可以肯定地說：

• “不要再用RNN和LSTM了，它們已經(jīng)不行了!”

讓我們用事實(shí)說話。Google、Facebook、Salesforce等企業(yè)越來越多地使用了基于注意力模型(Attention)的網(wǎng)絡(luò)。

所有這些企業(yè)已經(jīng)將RNN及其變種替換為基于注意力的模型，而這僅僅是個(gè)開始。比起基于注意力的模型，RNN需要更多的資源來訓(xùn)練和運(yùn)行。RNN命不久矣。

為什么

記住RNN和LSTM及其衍生主要是隨著時(shí)間推移進(jìn)行順序處理。請參閱下圖中的水平箭頭：

▲RNN中的順序處理

水平箭頭的意思是長期信息需在進(jìn)入當(dāng)前處理單元前順序遍歷所有單元。這意味著其能輕易被乘以很多次<0的小數(shù)而損壞。這是導(dǎo)致vanishing gradients(梯度消失)問題的原因。

為此，今天被視為救星的LSTM模型出現(xiàn)了，有點(diǎn)像ResNet模型，可以繞過單元從而記住更長的時(shí)間步驟。因此，LSTM可以消除一些梯度消失的問題。

▲LSTM中的順序處理

從上圖可以看出，這并沒有解決全部問題。我們?nèi)匀挥幸粭l從過去單元到當(dāng)前單元的順序路徑。事實(shí)上，這條路現(xiàn)在更復(fù)雜了，因?yàn)樗懈郊游?，并且忽略了隸屬于它上面的分支。

毫無疑問LSTM和GRU(Gated Recurrent Uni，是LSTM的衍生)及其衍生能夠記住大量更長期的信息!但是它們只能記住100個(gè)量級(jí)的序列，而不是1000個(gè)量級(jí)，或者更長的序列。

還有一個(gè)RNN的問題是，訓(xùn)練它們對(duì)硬件的要求非常高。另外，在我們不需要訓(xùn)練這些網(wǎng)絡(luò)快速的情況下，它仍需要大量資源。同樣在云中運(yùn)行這些模型也需要很多資源。

考慮到語音到文本的需求正在迅速增長，云是不可擴(kuò)展的。我們需要在邊緣處進(jìn)行處理，比如Amazon Echo上處理數(shù)據(jù)。

該做什么?

如果要避免順序處理，那么我們可以找到“前進(jìn)”或更好“回溯”單元，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間我們處理實(shí)時(shí)因果數(shù)據(jù)，我們“回顧過去”并想知道其對(duì)未來決定的影響(“影響未來”)。在翻譯句子或分析錄制的視頻時(shí)并非如此，例如，我們擁有完整的數(shù)據(jù)，并有足夠的處理時(shí)間。這樣的回溯/前進(jìn)單元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力(Neural Attention)模型組。

為此，通過結(jié)合多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力模型，“分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力編碼器”出現(xiàn)了，如下圖所示：

▲分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力編碼器

“回顧過去”的更好方式是使用注意力模型將過去編碼向量匯總到語境矢量 CT中。

請注意上面有一個(gè)注意力模型層次結(jié)構(gòu)，它和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)非常相似。這也類似于下面的備注3中的時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)(TCN)。

在分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力編碼器中，多個(gè)注意力分層可以查看最近過去的一小部分，比如說100個(gè)向量，而上面的層可以查看這100個(gè)注意力模塊，有效地整合100 x 100個(gè)向量的信息。這將分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)注意力編碼器的能力擴(kuò)展到10,000個(gè)過去的向量。

這才是“回顧過去”并能夠“影響未來”的正確方式!

但更重要的是查看表示向量傳播到網(wǎng)絡(luò)輸出所需的路徑長度：在分層網(wǎng)絡(luò)中，它與log(N)成正比，其中N是層次結(jié)構(gòu)層數(shù)。這與RNN需要做的T步驟形成對(duì)比，其中T是要記住的序列的***長度，并且T >> N。

跳過3-4步追溯信息比跳過100步要簡單多了!

這種體系結(jié)構(gòu)跟神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖靈機(jī)很相似，但可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過注意力決定從內(nèi)存中讀出什么。這意味著一個(gè)實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將決定哪些過去的向量對(duì)未來決策有重要性。

但是存儲(chǔ)到內(nèi)存怎么樣呢?上述體系結(jié)構(gòu)將所有先前的表示存儲(chǔ)在內(nèi)存中，這與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖靈機(jī)(NTM)不同。這可能是相當(dāng)?shù)托У模嚎紤]將每幀的表示存儲(chǔ)在視頻中——大多數(shù)情況下，表示向量不會(huì)改變幀到幀，所以我們確實(shí)存儲(chǔ)了太多相同的內(nèi)容!

我們可以做的是添加另一個(gè)單元來防止相關(guān)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)。例如，不存儲(chǔ)與以前存儲(chǔ)的向量太相似的向量。但這確實(shí)只是一種破解的方法，***的方法是讓應(yīng)用程序指導(dǎo)哪些向量應(yīng)該保存或不保存。這是當(dāng)前研究的重點(diǎn)

看到如此多的公司仍然使用RNN/LSTM進(jìn)行語音到文本的轉(zhuǎn)換，我真的十分驚訝。許多人不知道這些網(wǎng)絡(luò)是如此低效和不可擴(kuò)展。

訓(xùn)練RNN和LSTM的噩夢

RNN和LSTM的訓(xùn)練是困難的，因?yàn)樗鼈冃枰鎯?chǔ)帶寬綁定計(jì)算，這是硬件設(shè)計(jì)者最糟糕的噩夢，最終限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決方案的適用性。簡而言之，LSTM需要每個(gè)單元4個(gè)線性層(MLP層)在每個(gè)序列時(shí)間步驟中運(yùn)行。

線性層需要大量的存儲(chǔ)帶寬來計(jì)算，事實(shí)上，它們不能使用許多計(jì)算單元，通常是因?yàn)橄到y(tǒng)沒有足夠的存儲(chǔ)帶寬來滿足計(jì)算單元。而且很容易添加更多的計(jì)算單元，但是很難增加更多的存儲(chǔ)帶寬(注意芯片上有足夠的線，從處理器到存儲(chǔ)的長電線等)。

因此，RNN/LSTM及其變種不是硬件加速的良好匹配，我們在這里之前和這里都討論過這個(gè)問題。一個(gè)解決方案將在存儲(chǔ)設(shè)備中計(jì)算出來，就像我們在FWDNXT上工作的一樣。

總而言之，拋棄RNN吧。注意力模型真的就是你需要的一切!