Robocikowo>ROBOCIKOWO
Architektura

Linear Attention

2020AktywnyOpublikowano: 7 czerwca 2026Aktualizacja: 7 czerwca 2026Opublikowany
Klasa wariantów uwagi (attention) o złożoności liniowej względem długości sekwencji, uzyskanej przez zamianę softmax na funkcje jądrowe φ(·).
Kluczowa innowacja
Zastąpienie kosztownej operacji softmax(QKᵀ) jądrową aproksymacją φ(Q)·(φ(K)ᵀV), która dzięki łączności mnożenia macierzy redukuje złożoność z O(n²·d) do O(n·d²) i pozwala wykonać autoregresywną inferencję rekurencyjnie w stałej pamięci.
Kategoria
Architektura
Poziom abstrakcji
Wzorzec
Poziom operacji
Element architekturyWarstwaInferencja
Zastosowania
Modelowanie języka na długich sekwencjachAutoregresywna inferencja w stałej pamięciModele dźwięku i sygnałów (audio, time-series)Hybrydy z atencją lokalną (sliding window)Backbony do modeli RNN-Transformer (RWKV, RetNet, DeltaNet)

Jak działa

1) Wybierz funkcję jądrową φ(·) (np. ELU+1, kosinusowa, losowe cechy ortogonalne FAVOR+) — ważne, by była nieujemna. 2) Zamiast obliczać A = softmax(QKᵀ) i A·V, wykonaj φ(K)ᵀV (kształt d×d), a następnie φ(Q) · (φ(K)ᵀV). 3) Mianownik normalizujący to φ(Q)·Σ φ(K). 4) W trybie autoregresywnym utrzymuj kumulowany stan S_t = S_{t−1} + φ(k_t)v_tᵀ oraz z_t = z_{t−1} + φ(k_t); odpowiedź: y_t = (φ(q_t)ᵀ S_t) / (φ(q_t)ᵀ z_t). 5) W trybie treningowym używa się postaci równoległej (chunkwise / blockwise) by wykorzystać GPU i zachować paralelizm po sekwencji.

Rozwiązany problem

Klasyczna uwaga skalowanego iloczynu skalarnego ma złożoność czasową i pamięciową O(n²) względem długości sekwencji, co czyni ją niepraktyczną dla bardzo długich kontekstów oraz drogą w autoregresywnej inferencji. Linear Attention przełamuje tę barierę kwadratową, umożliwiając trening i inferencję na długich sekwencjach przy zachowaniu paralelizmu treningowego i z rekurencyjną inferencją w stałej pamięci.

Komponenty

Funkcja jądrowa φ(·)Aproksymuje softmax i umożliwia rozłożenie iloczynu Q·Kᵀ na operacje liniowe.

Nieujemna funkcja stosowana niezależnie do zapytań i kluczy; jej dobór determinuje wyrazistość i stabilność. Typowe wybory: ELU+1, kosinusowa, FAVOR+ (ortogonalne losowe cechy).

INTensor zapytań/kluczy.
OUTTensor po przejściu przez φ.
ELU+1Prosta nieujemna funkcja używana w oryginalnym Linear Transformerze (Katharopoulos et al., 2020).
FAVOR+Aproksymacja softmaxa losowymi cechami ortogonalnymi (Performer, 2020).
Cosine / sin-cosFunkcja kosinusowa stosowana m.in. w cosFormer.

Oficjalna

Stan rekurencyjny S_tZastępuje cache K/V z klasycznej atencji stałą pamięcią o rozmiarze d_φ × d_v.

Macierz akumulująca outer-products φ(k_t)v_tᵀ; pełni rolę „pamięci" w trybie autoregresywnym.

INMacierz akumulowana po krokach czasu.
OUTStan po aktualizacji.
Normalizator z_tStabilizuje skalę wyjścia i zapewnia interpretację probabilistyczną.

Wektor sumujący φ(k_t) służący do normalizacji wyjścia w sposób analogiczny do mianownika softmaxa.

INWektor akumulowany po czasie.
OUTSuma cech kluczy do chwili t.

Oficjalna

Implementacja

Pułapki implementacyjne
Niestabilność numeryczna mianownikaWysoka

Suma φ(K) może dążyć do zera lub bardzo małych wartości na początku sekwencji, prowadząc do dzielenia przez prawie zero.

Rozwiązanie:Dodawanie ε do mianownika, normalizacja warstwowa, ostrożny dobór φ.
Słabsza wydajność na zadaniach retrievalŚrednia

Czysta liniowa atencja ma trudności z precyzyjnym przypominaniem długoterminowym, ponieważ stan jest ściskaną sumą.

Rozwiązanie:Dodawanie reguły delta (DeltaNet) lub bramek (Gated Linear Attention), hybrydy z atencją lokalną.
Dobór funkcji jądrowejŚrednia

Niewłaściwe φ pogarsza ekspresywność lub stabilność treningu.

Rozwiązanie:Używaj sprawdzonych map (ELU+1, FAVOR+, cosine); kalibruj na małej skali przed pełnym treningiem.

Ewolucja

Oryginalny paper · 2020 · ICML 2020 · Angelos Katharopoulos
Transformers are RNNs: Fast Autoregressive Transformers with Linear Attention
Angelos Katharopoulos, Apoorv Vyas, Nikolaos Pappas, François Fleuret
2020
Linear Transformer (Katharopoulos et al.)
Punkt przełomowy

Wprowadzenie jądrowej formy uwagi z φ = ELU+1; pokazanie równoważności z RNN w trybie autoregresywnym.

2020
Performer / FAVOR+

Aproksymacja softmaxa przez ortogonalne losowe cechy; teoretyczne gwarancje błędu.

2023
RetNet

Hybryda formy równoległej i rekurencyjnej z eksponencjalnym zanikiem; pokazana skalowalność do dużych modeli językowych.

2024
Mamba2 / SSD — pomost do Linear Attention
Punkt przełomowy

Praca „Transformers are SSMs" pokazuje, że selektywne SSM i liniowa atencja są dwiema stronami tej samej dualności macierzy strukturalnych.

2024
DeltaNet & Gated DeltaNet

Wzbogacenie liniowej atencji o regułę delta i bramkowanie; znacząca poprawa retrieval i długiego kontekstu.

Hiperparametry (konfigurowalne osie)

Funkcja jądrowa φKrytyczna

Wybór nieujemnej funkcji aproksymującej softmax.

ELU+1Domyślna w Katharopoulos et al. 2020.
FAVOR+Performer; ortogonalne losowe cechy.
cosinecosFormer.
Wymiar cechy d_φWysoka

Wymiar przestrzeni po przemapowaniu φ; wpływa na pojemność stanu i koszt obliczeń.

64Typowa wartość per głowa.
128Większa pojemność, wyższy koszt O(d²).
Rozmiar bloku treningowego (chunk)Średnia

Rozmiar bloku w formie chunkwise — kompromis między paralelizmem a pamięcią.

64Często używany w implementacjach FLA.
256Większe bloki – większe wymagania pamięciowe.
NormalizacjaŚrednia

Czy używać dzielenia przez Σ φ(K) (normalizacja typu softmax) czy wariantu nienormalizowanego.

normalisedStabilniejsze numerycznie.
unnormalisedStosowane w niektórych wariantach (np. RetNet).

Złożoność obliczeniowa

Złożoność czasowa: O(n · d²). Złożoność przestrzenna: O(d²).

Wąskie gardło obliczeniowe

Mnożenie macierzy d × d

Główny koszt to akumulacja stanu φ(k_t)v_tᵀ i jego rzut przez φ(q_t). Dominuje on dla małego n; dla bardzo dużego n zysk względem softmaxa rośnie.

Zależy od
d_φd_v

Paradygmat wykonania

Tryb główny
Gęsty

Wszystkie tokeny biorą udział w aktualizacji stanu rekurencyjnego.

Wzorzec aktywacji
Wszystkie ścieżki aktywne
Tryby dodatkowe
Warunkowy
Mechanizm routingu

Linear Attention nie posiada routingu. Mechanizmy bramkujące/delta dodawane są w wariantach (np. Gated Linear Attention, DeltaNet).

Równoległość

Poziom równoległości
Częściowo równoległy

Trening jest paralelizowany po blokach sekwencji; inferencja korzysta z formy rekurencyjnej.

Zakres
TreningPomiędzy tokenamiPomiędzy urządzeniami
Ograniczenia
!Inferencja autoregresywna jest z natury sekwencyjna po krokach czasu.
!W treningu używa się formy blokowej, by łączyć paralelizm z liniową kosztownością.

Wymagania sprzętowe

Podstawowe

Forma chunkwise mapuje się na duże matmule wykorzystujące Tensor Cores; brak quadratic attention zmniejsza zużycie pamięci HBM.

Dobry fit

Liniowa skalowalność i regularne wzorce dostępu sprzyjają systolicznym macierzom MAC.

Możliwe

Możliwa inferencja autoregresywna (stan o stałym rozmiarze), ale przepustowość ograniczona przez obliczenia φ.