Как одна операция из линейной алгебры захватила мир ИИ

Всё началось довольно тихо — без шоу-программ и футуристичных роботов на сцене. В 2017-м исследователи Google опубликовали статью с до смешного скромным названием: Attention is All You Need. Тогда мало кто понял, что именно в этот момент случилось новое «деление эпох»: теперь у ИИ было чёткое «до» и «после».

Сегодня почти весь генеративный ИИ — от ChatGPT до Midjourney, от Gemini до Claude — внутри себя основан на трансформерах. А фундамент всей этой революции оказался… ну прямо скажем, совсем не похожим на научную фантастику. Просто скалярное произведение двух векторов — действие из школьной линейной алгебры

Ни новая экзотическая архитектура памяти ^[1]. Ни сверхсложная логика ^[2] вывода. Даже не попытка повторить человеческий мозг ^[3].

Просто умножили числа друг на друга и сложили. И всё изменилось.

Но чтобы понять, почему такая простая вещь взорвала всю индустрию, надо вспомнить — во что нейросети упирались раньше.

❯ Большой тупик RNN и CNN: когда старое просто больше не работает

На бумаге они выглядели почти идеально: каждое новое слово обновляло своего рода «внутреннюю память» — проглотил одно слово, подвинулся вперёд вместе с новым состоянием. Получалась цепочка памяти:

• первое слово влияет на второе,

• второе тащит за собой третье,

• и так почти до конца предложения.

Ключевое слово тут — почти. Рекуррентные сети очень быстро забывали, о чём речь была много слов назад. Нарисуйте себе цепочку из ведёрок воды: доливаешь впереди — постепенно вытекает позади. Сеть буквально теряла начало длинных предложений (математики ^[5] скажут: градиенты исчезали). LSTM и GRU пытались починить это место, но получился скорее костыль: подробно помнить они стали чуть дольше, но проблема с корнями осталась.

Параллельно в NLP подоспели сверточные сети (CNN), которые пришли из распознавания картинок. Они работали похитрее: вместо того чтобы читать текст по одной букве или слову за раз, CNN сканировали сразу несколько соседних словечек. Эдакие шаблоны вроде:

• прилагательное + существительное;

• короткие выражения вроде «наконец-то приехал».

Ничего себе! Но была загвоздка: их взгляд был слишком узким — CNN видели только маленькие фрагменты текста вокруг каждого слова. Чтобы понять связь между словами «я» в начале строки и «тебя» в конце абзаца приходилось городить сложную лестницу слоев… а это грузило систему так, что контекст всё равно рвался на части.

Вывод назревал сам собой: проблема не в том, что сеть слишком маленькая или глубокая; дело именно в том КАК она читает последовательности.

Нужен был другой подход.

❯ Новый подход: не эстафета, а мгновенный чат

И вот трансформеры сорвали покровы! Вместо того чтобы передавать информацию по цепочке (как записку через весь класс), каждому слову разрешили оглянуться и посмотреть сразу на все остальные слова предложения или даже документа. Эдакий общий раунд знакомств за секунду!

Это и есть тот самый Attention — внимание ^[7] слегка переосмысленное для компьютеров.

Чтобы его описать проще всего представить аукцион:

Каждое слово одновременно:

• задаёт вопрос («что мне нужно?»)

• рассказывает про себя («кто я такой внутри этого текста?»)

• предлагает своё содержание (приглашает других узнать о себе).

Три составляющих — Query (ищу!), Key (я такой-то!), Value (вот моя информация!).

Например:

• Глагол может шепнуть всему тексту: «Я ищу свой объект действия!»

• Или существительное заявит о себе: «Я стою тут во втором падеже»

Задача сводится к простому вопросу: какие слова реально должны друг для друга быть важными прямо здесь и сейчас?

Вот тут-то на сцену выходит та самая операция из школьной программы…

Центральная операция attention выглядит так:

На первый взгляд — ничего особенного.

❯ Как скалярное произведение стало проводником смысла

Скалярное произведение двух векторов показывает, как сильно они «смотрят» в одну сторону. Простыми словами для NLP:

• Чем смысл у двух слов ближе — тем больше их числовые представления совпадают по направлению;

• Чем дальше друг другу по смыслу — тем меньше пересечения;

• Связанные токены мгновенно находят друг друга через высокое значение произведения.

Модель буквально спрашивает: совпадает ли мой запрос с твоим описанием? Если да — внимание возрастает лет до небес!

Удивительно простая идея работает так мощно именно потому что язык полон таких скрытых перекрёстных связей.

❯ Почему сразу не взять расстояние?

Могли бы брать L2-норму…

На первый взгляд ведь что логичнее: чем более похожи слова — тем ближе точки-векторы друг к другу в пространстве! Почему же attention выбрал скалярное произведение?

Во-первых — скорость! Посчитать расстояние между двумя точками требует квадратов да ещё корень извлечь… а видеокарты гораздо быстрее перемножают да складывают числа миллиардами раз в секунду (это как говорить c GPU на его родном языке).

Во-вторых — само поведение ^[8] attention’а сильно от выбора функции близости: нам нужно не просто заметить связи («близко-далеко»), а часто прям-таки выделить единственный нужный кусок текста с почти безумной уверенностью! Скаляры могут при правильном обучении ^[9] давать ОГРОМНЫЙ разброс значений — идеальное топливо для резкой фокусировки внимания.

Но любая магия имеет свою цену

❯ Когда математика начинает ломать обучение

Появилась неожиданная проблема. Почти физическая — если размерность ваших векторов растёт (а мы ж любим большие пространства признаков!), то дисперсия их произведений начинает разноситься всё сильнее («выстреливает», сказали бы инженеры). Плюсуйте сюда Softmax…

Плюсуйте сюда Softmax…

❯ Softmax: машина по производству уверенности

❯ Multi-head Attention или почему хорошего внимания много не бывает

Но в реальной жизни редко бывает однозначность. Одно предложение… десятки разных смысловых связей! Вот возьмите фразу:

«Кот поймал мышь, потому что он был голоден».

Слово «он» связано одновременно

• с котом,

• со смыслом голода,

• с грамматическим строем предложения…

Одна схема внимания тут точно не потянет! Поэтому у трансформеров множество «голов». Каждая учится ловить свой тип связи:

• одна отвечает за синтаксис,

• другая ловит семантику,

• третья замечает эмоции ^[11] или дальние закономерности,

• четвёртая может выискивать редкие зависимости далеко через текст…

А потом результат каждой головы аккуратно складывается обратно в единую картину мира!

❯ Проклятие квадратичной сложности

Есть правда обратная сторона всей этой крутизны… Внимание приходится сравнивать каждый токен с каждым другим токеном (всё равно что каждому гостю вечера поговорить хотя бы пару минут с каждым другим); двадцать друзей — 400 разговоров; тысяча токенов? Миллион сравнений!

GPU всё ещё мощны… но не бесконечно мощны! Именно отсюда нескончаемые поиски новых трюков типа FlashAttention или sparse-attention — чтобы умудриться смотреть далеко вперёд без катастрофического перегруза памяти…

❯ Итоги

Самое удивительное во всей истории attention вот что: индустрия годами пыталась придумывать суперинтеллектуальные схемы и хитрые приёмники памяти или управляемые ячейки данных… а победила простейшая операция из школьной алгебры (которая идеально ложится на цифровые нутра современных видеокарт).

Скалярное произведение стало практически мостом между математикой смысла языка И мебелью современных вычислений! Благодаря этому техника наконец начала видеть структуру текста сразу целиком — как будто взглянуть сверху одним махом вместо того чтобы идти вслепую шаг за шагом…

Вот такой вот переворот произошёл почти незаметно.

Спасибо всем дочитавшим до конца :)

Может быть интересно:

• Кинопоиск всё-таки отключил статистику по фильмам — я создал свою на основе Letterboxd и TMDB ^[12]

• Делаем автоматизацию для Spotify, которая создаёт плейлисты из избранного ^[13]

• Лучший промпт для LLM. Бессмысленный поиск ^[14]

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды  ^[16]Timeweb.Cloud ^[17] — в нашем Telegram-канале ^[16] ↩