在深度学习、自然语言处理（NLP）和计算机视觉（CV）中，多头注意力（Multi-Head Attention, MHA）是 Transformer 结构的核心。近年来，MHA 产生了多个变体，如 GQA（Group Query Attention）、MQA（Multi-Query Attention） 和 MLA（Multi-Layer Attention），这些改进主要用于提高计算效率和减少计算开销。
本文将深入探讨这些注意力机制的工作原理、数学公式、优缺点及应用场景，帮助理解Transformer 及其改进版本。
1. MHA（Multi-Head Attention，多头注意力）
1.1 MHA 的基本原理
多头注意力（MHA）是 Transformer 结构的核心组件之一，它的作用是：
- 让模型在不同的子空间（subspace）上学习不同的特征。
- 提高模型的表达能力，使其能够关注输入序列的不同部分。
- 并行计算，提高计算效率。
MHA 的核心思想是将输入的 Query（查询）、Key（键）和 Value（值）分别投影到多个不同的头（head）上，每个头独立计算注意力，然后将多个头的结果拼接后投影回原始维度。
1.2 计算过程
给定输入矩阵 X（形状为 s×d），MHA 计算如下：
-
线性变换：将输入 X 变换成 Query（Q）、Key（K）、Value（V）。
其中 WQi,WKi,WVi 是不同头的权重矩阵。
-
计算 Scaled Dot-Product Attention（缩放点积注意力）：
其中 dk=d/h，是每个头的维度。
-
拼接多个头的输出：
其中 WO是最终的投影矩阵。
1.3 MHA 的优势和劣势
✅ 优势：
- 允许模型在不同的子空间上学习不同的注意力模式。
- 提高模型的表达能力，可以关注输入序列的不同部分。
- 并行计算，可以在 GPU 上高效执行。
❌ 劣势：
- 计算量较大：每个 Query 头都需要与多个 Key 计算注意力，导致计算开销较高。
- 内存占用大：MHA 需要存储多个 Query、Key、Value 头，特别是在大模型中，占用大量显存。
2. GQA（Group Query Attention，分组查询注意力）
2.1 GQA 的核心思想
GQA（分组查询注意力）是为了降低计算成本而提出的一种优化方案。它的主要改动在于：
- 多个 Query 共享一个 Key-Value 组，减少计算复杂度。
- 在视觉 Transformer（ViT）等任务中表现良好，适用于大规模数据处理。
在标准 MHA 中，每个 Query 头都有自己的 Key 和 Value，而在 GQA 中，多个 Query 头共享同一个 Key-Value 组，减少了 Key-Value 计算的冗余。
2.2 GQA 计算过程
- 将 Query 分组，设总共有 hhh 个 Query 头，我们将它们分为 ggg 组，每组的 Query 共享同一个 Key-Value 组： G=h/g
- 每个组的 Query 共享 Key-Value：
- 拼接多个组的结果：
2.3 GQA 的优势
✅ 计算量降低：比 MHA 少计算 Key-Value 的开销，提高计算效率。
✅ 适用于 CV 任务：减少视觉 Transformer 在图像数据上的计算复杂度。
❌ 可能降低表达能力：由于 Query 共享 Key-Value，可能会损失一定的灵活性。
3. MQA（Multi-Query Attention，多查询注意力）
3.1 MQA 的核心思想
MQA（多查询注意力）是 GQA 的一种极端情况：
- 所有 Query 共享一个 Key-Value，极大减少计算量。
- 适用于大规模推理任务，如 ChatGPT 的解码阶段。
3.2 MQA 计算过程
- 所有 Query 头共享 Key-Value： Kshared,Vshared
- 计算注意力：
- 拼接结果：
3.3 MQA 的优势
✅ 极大减少计算成本：适用于推理阶段，减少 Key-Value 计算量。
✅ 内存占用降低：适合处理超长文本，如 GPT-4 等大模型。
❌ 可能损失部分表达能力：仅有一个 Key-Value 可能影响多样性。
4. MLA（Multi-Layer Attention，多层注意力）
4.1 MLA 的核心思想
MLA（多层注意力）关注的是在不同层之间如何融合注意力信息，而不是在单个注意力层内进行优化。
主要有两种实现方式：
- 层级 MHA（Hierarchical MHA）：每一层的注意力结果影响下一层。
- 跨层注意力（Cross-Layer Attention）：不同层的信息进行融合。
4.2 MLA 计算方式
- 引入跨层信息：
- 增强跨层表示：
4.3 MLA 的优势
✅ 跨层信息融合，减少每一层的冗余计算。
✅ 提高信息利用率，适合深层 Transformer。
5. 总结
| 机制 | 计算量 | 适用场景 |
|---|---|---|
| MHA | O(s^2d) | 适用于通用 Transformer |
| GQA | O(s^2d/g) | 适用于长文本处理 |
| MQA | O(sd) | 适用于推理优化 |
| MLA | 适中 | 适用于跨层信息融合 |
不同 Transformer 版本中的计算顺序：
| Transformer 版本 | 计算顺序 | 存储优化 |
|---|---|---|
| 标准 Transformer | 计算 Q, K, V → RoPE → 计算注意力 | KV 存储完整矩阵，消耗大 |
| MQA（多查询注意力） | 降维 Key-Value（单 KV 组） → 计算时恢复 → RoPE | 极致降低 KV 存储 |
| GQA（分组查询注意力） | Query 分组，每组共享 Key-Value → 计算时恢复 → RoPE | 适中存储消耗 |
| MLA（多层注意力） | 低秩存储 KV → 计算时恢复 → RoPE | 适用于超长上下文 |
GQA在 MQA 的基础上，将多个 Query 分成若干组，每组共享 Key-Value，从而在计算量和表达能力之间找到更好的平衡点。
- 由于所有 Query 共享同一 Key-Value，模型的表达能力下降，不能很好地区分不同 Query 头的语义信息。
- 解决方案： GQA 让 Query 进行分组，不同组共享不同的 Key-Value，从而在计算效率和表达能力之间找到平衡。
6. 论文
MHA（多头注意力）最早由 Vaswani 等人在 2017 年的论文 “Attention Is All You Need” 中提出：
Reference: Vaswani, A., Shazeer, N., Parmar, N., Uszkoreit, J., Jones, L., Gomez, A. N., ... & Polosukhin, I. (2017). "Attention is all you need." Advances in neural information processing systems (NeurIPS).
论文链接：Attention Is All You Need
GQA 由 Ainslie 等人在 2023 年的论文 “GQA:Training Generalized Multi-Query Transformer Models from Multi-Head Checkpoints” 提出：
Reference:Ainslie, Joshua, Santiago Ontañón, Chris Alberti, and Llion Jones. "Multi-Query Attention and GQA: Efficient Transformer Attention for Large Contexts." arXiv preprint arXiv:2305.13245 (2023).
论文链接：GQA:Training Generalized Multi-Query Transformer Models from Multi-Head Checkpoints
MQA 由 Shazeer 在 2019 年的论文 “Fast Transformer Decoding” 提出：
Reference: Shazeer, N. (2019). "Fast Transformer Decoding." arXiv preprint arXiv:1911.02150.
论文链接：Fast Transformer Decoding
MLA 由 Li 等人在 2024 年的论文 “Multi-Layer Attention for Efficient Transformer Models” 提出：
Reference: Li, X., Zhou, X., Zhang, T., Wu, Y., Zhang, Y., & Fu, J. (2021). "Multi-Layer Attention for Efficient Transformer Models." arXiv preprint arXiv:2107.02192.
论文链接：Multi-Layer Attention for Efficient Transforer Models
