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| wiki-2026-0508-nlp-attention-mechanisms | NLP Attention Mechanisms | 10_Wiki/Topics | verified | self |
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2026-05-10 | pending |
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NLP Attention Mechanisms
매 한 줄
Attention은 시퀀스 내 토큰 간 가중 의존성을 동적으로 학습하는 메커니즘으로, Bahdanau(2014) additive → Luong multiplicative → scaled dot-product → multi-head → Flash Attention 진화를 거쳐 모든 현대 LLM의 코어가 되었다.
매 핵심
1. Attention 일반 공식
attention(Q, K, V) = softmax(score(Q, K)) · V
- score 함수가 변형의 핵심: additive vs multiplicative vs dot-product.
- 출력은 V의 가중합, 가중치는 Q-K 유사도.
2. Bahdanau (Additive, 2014)
score(q, k) = vᵀ tanh(W_q q + W_k k)
- MLP 기반 — 학습 파라미터 많음.
- 작은 차원에서 더 풍부한 매칭.
- seq2seq 번역 (RNN encoder-decoder) 출시.
3. Luong (Multiplicative, 2015)
score(q, k) = qᵀ W k (general)
score(q, k) = qᵀ k (dot)
- 행렬 곱 1번 — 빠름.
- GPU 친화적.
4. Scaled Dot-Product (Vaswani 2017, Transformer)
Attention(Q,K,V) = softmax(QKᵀ / √d_k) V
- √d_k로 나눠 큰 차원 softmax saturation 방지.
- 행렬 연산 — 병렬 GPU 최적.
- 이게 Transformer의 핵심.
5. Multi-Head Attention
MHA(Q,K,V) = Concat(head_1, ..., head_h) W^O
head_i = Attention(Q W^Q_i, K W^K_i, V W^V_i)
- h개의 head가 서로 다른 sub-space에서 attention.
- 표현력 ↑ — 한 head는 syntactic, 다른 head는 semantic.
- 표준 h = 8, 16, 32, 64 (모델 크기 의존).
6. Self vs Cross Attention
- Self: Q=K=V (같은 시퀀스) — encoder, decoder masked.
- Cross: Q from decoder, K=V from encoder — encoder-decoder bridge.
7. Causal / Masked Attention
- Decoder에서 미래 토큰 참조 차단 (-inf 마스크).
- LLM autoregressive 생성 표준.
8. Positional Encoding
- Attention은 순서 무인지 → 위치 정보 추가 필요.
- Sinusoidal (원조), Learned, RoPE (Rotary, LLaMA/현대 LLM 표준), ALiBi.
9. Modern: Flash Attention (Dao 2022, FA2 2023, FA3 2024)
- IO-aware 알고리즘: GPU SRAM 활용해 HBM 왕복 최소화.
- 정확한 attention (근사 X) — 2-4× 빠름, 메모리 5-20× 절감.
- 긴 컨텍스트(100K-1M token)의 게임 체인저.
- FA2: warp-level 병렬화. FA3 (Hopper): WGMMA + async.
10. 효율 변형
- MQA (Multi-Query Attention): KV 헤드 1개 — 추론 빠름.
- GQA (Grouped-Query): KV 헤드 그룹화 — LLaMA-2/3 표준.
- Sliding Window: local attention (Mistral).
- Sparse / Linear / Linformer / Performer: O(n²) → O(n log n) 또는 O(n).
- Ring Attention: 분산 long-context (Gemini 2M).
💻 패턴
# 1. Bahdanau additive (PyTorch)
import torch, torch.nn as nn
class BahdanauAttention(nn.Module):
def __init__(self, d):
super().__init__()
self.W_q = nn.Linear(d, d); self.W_k = nn.Linear(d, d); self.v = nn.Linear(d, 1)
def forward(self, q, k, v):
# q: (B, 1, d), k/v: (B, T, d)
score = self.v(torch.tanh(self.W_q(q) + self.W_k(k))).squeeze(-1) # (B, T)
a = torch.softmax(score, dim=-1)
return (a.unsqueeze(-1) * v).sum(dim=1)
# 2. Scaled dot-product
def scaled_dot_product(Q, K, V, mask=None):
d_k = Q.size(-1)
scores = (Q @ K.transpose(-2, -1)) / d_k**0.5
if mask is not None:
scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9)
return torch.softmax(scores, dim=-1) @ V
# 3. Multi-head (from scratch)
class MHA(nn.Module):
def __init__(self, d, h):
super().__init__()
self.h, self.dh = h, d // h
self.qkv = nn.Linear(d, 3*d); self.o = nn.Linear(d, d)
def forward(self, x, mask=None):
B, T, D = x.shape
q,k,v = self.qkv(x).chunk(3, dim=-1)
q,k,v = [t.view(B,T,self.h,self.dh).transpose(1,2) for t in (q,k,v)]
out = scaled_dot_product(q,k,v,mask).transpose(1,2).reshape(B,T,D)
return self.o(out)
# 4. PyTorch built-in
mha = nn.MultiheadAttention(embed_dim=512, num_heads=8, batch_first=True)
out, attn_weights = mha(x, x, x) # self-attention
# 5. Causal mask (decoder)
T = 1024
mask = torch.tril(torch.ones(T, T)).bool() # lower-tri: 1 keep, 0 mask
# 6. Flash Attention (xformers / pytorch SDPA backend)
import torch.nn.functional as F
out = F.scaled_dot_product_attention(q, k, v, is_causal=True)
# PyTorch 2.0+ 자동 Flash Attention backend
# 7. RoPE (Rotary Position Embedding)
def rope(x, freqs):
# x: (..., d), freqs: (T, d/2)
x1, x2 = x.chunk(2, dim=-1)
cos, sin = freqs.cos(), freqs.sin()
return torch.cat([x1*cos - x2*sin, x1*sin + x2*cos], dim=-1)
# 8. GQA (Grouped-Query)
class GQA(nn.Module):
def __init__(self, d, n_q_heads, n_kv_heads):
super().__init__()
self.n_q, self.n_kv = n_q_heads, n_kv_heads
self.dh = d // n_q_heads
self.q = nn.Linear(d, n_q_heads * self.dh)
self.k = nn.Linear(d, n_kv_heads * self.dh)
self.v = nn.Linear(d, n_kv_heads * self.dh)
# KV broadcast n_q / n_kv 배 반복하여 attention
# 9. Sliding window (Mistral-style)
def sliding_window_mask(T, window=4096):
m = torch.tril(torch.ones(T, T))
m = m - torch.tril(torch.ones(T, T), diagonal=-window-1)
return m.bool()
# 10. Visualizing attention
import matplotlib.pyplot as plt
attn = mha(x, x, x, need_weights=True, average_attn_weights=False)[1] # (B, h, T, T)
plt.imshow(attn[0, 0].cpu().numpy()) # head 0
매 결정 기준
| 상황 | 추천 |
|---|---|
| Transformer 표준 | Scaled dot-product MHA |
| 긴 컨텍스트 (>32K) | Flash Attention 2/3 |
| 추론 속도 (LLM) | GQA / MQA + KV cache |
| Local 패턴 충분 | Sliding window (Mistral) |
| Encoder-decoder 번역 | Cross attention |
| 작은 모델 + 작은 d | Bahdanau additive (legacy) |
| 위치 표현 | RoPE (modern) / ALiBi (long ctx) |
| 1M+ 컨텍스트 분산 | Ring Attention |
🔗 Graph
- 부모: Transformer_Architecture_and_LLM_Foundations
- 변형: Multi-Head Attention, Flash Attention, Grouped-Query Attention
- 응용: Transformer_Architecture_and_LLM_Foundations, Transformer_Architecture_and_LLM_Foundations, GPT
- Adjacent: KV Cache, Long Context
🤖 LLM 활용
- "이 attention map을 보고 모델이 어떤 토큰에 의존하는지 분석" — interpretability.
- 코드에 SDPA / FlashAttention 적용 자동 리팩토링.
- Attention 변형 비교표 생성, ablation 가이드.
❌ 안티패턴
- √d_k 정규화 누락: 큰 d에서 softmax saturation → gradient 소실.
- Causal mask 없는 decoder: 미래 leak → 학습/추론 불일치.
- 벡터화 안 한 attention 루프: 100배 느림.
- MHA 추론 + KV cache 없음: 긴 생성에서 O(n²) 재계산.
- Vanilla attention + 100K context: OOM — Flash Attention 필수.
- Position encoding 누락: bag-of-words처럼 동작.
🧪 검증 / 중복
- 검증: Vaswani(2017) "Attention is All You Need", Bahdanau(2014), Dao(2022 FlashAttention), HuggingFace docs.
- 중복: Multi-Head Attention, Flash Attention (specific) — 본 문서는 family overview.
🕓 Changelog
- 2026-05-10: 신규 작성. Bahdanau→Luong→SDPA→MHA→Flash→GQA/MQA/Sliding 진화 + 코드 패턴.