Transformerアーキテクチャ - AIの革命児

2017年に発表されたTransformerは、AI分野に革命を起こしました。その全体構造と従来手法との違いを解説します。

白銀 ゆき(普段) 白銀 ゆき

以前、「文章を扱うAI=RNN」と参考書で読んだんですが、それは古い話でしょうか?

若葉 みどり 先生(笑顔) 若葉 みどり 先生

鋭い質問ね。
ゆきさんの読んだ本が古いわけじゃなくて、2017年以降に劇的に状況が変わったの。
Transformerというアーキテクチャが登場してからよ。

胡桃 あんず(あせる) 胡桃 あんず

「変換する人」って名前のAI?
なんかすごそう!

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

ふふ、名前は「変換器」って意味で、翻訳(変換)のために生まれた経緯もあるのよ。
Google Brainチームが発表した論文『Attention Is All You Need』が原点ね。
タイトルは「注意機構だけで十分」という意味で、それまでのRNNやLSTMを一切使わない斬新な提案だった。

桜井 もも(普段) 桜井 もも

RNNって、前に出てきた「順番に読むAI」のことぉ?
そのままじゃダメだったのぉ?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

そう。
RNNは単語を1個ずつ順に処理するから、長文で遅いし、遠い単語同士の関係が薄れがち——長期依存の問題があったの。
それに GPU の並列計算が活かせないのも致命的だったわ。

胡桃 あんず(あせる) 胡桃 あんず

ちょっと待って、並列計算できないと何が困るの?
Transformerなら並列でいけるってこと?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

GPUは並列計算が得意なのに、RNN は1単語ずつ順番待ちだから高速化しにくいの。
Transformer は全単語を同時に Self-Attention で処理するから、並列計算をフル活用できて、学習が爆速になったのよ。

白銀 ゆき(普段) 白銀 ゆき

つまり「ハードウェアの進化と相性の良い構造」ですね。
これがスケーリング可能性を一変させた、と。
では、全体の形はどうなっているんですか?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

大まかに言うとエンコーダとデコーダの2つのブロックからなるわ。
それぞれの中身は、Self-Attention層 → Feed-Forward層 →(残差接続+LayerNorm)が積み重なった単純構造を何層も重ねる形よ。

胡桃 あんず(普段) 胡桃 あんず

積み木みたいに重ねるだけなの?
なんか地味だね。

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

そう。
しかも積み木の数やパラメータ数を増やすと、性能が予測的に伸びる——これが後のスケーリング則の話につながるの。

白銀 ゆき(普段) 白銀 ゆき

補足ですが、GPTはデコーダだけ、BERTはエンコーダだけ、翻訳用 T5 などは両方、と用途で使い分けます。
あと位置情報はどうしているんですか?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

よく気づいたわね。
位置エンコーディングという仕組みで単語の順番を教えるの——これは次の記事で詳しくね。

胡桃 あんず(笑い) 胡桃 あんず

構造は地味だけど、並列計算できるからこそ今のデカい AI が出来たんだ。
地味すご〜い。
画像のViTとか、色んな分野に使われてるもんね。

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

その通り。
汎用性と並列性が Transformer の2大魅力。
試験では「Self-Attention」「並列計算」「エンコーダ/デコーダ」「2017年 Attention Is All You Need」を軸に覚えればOKよ。

確認クイズ

Transformer が従来のRNNに対して持つ最大の利点はどれか。

  1. メモリ使用量が少ない
  2. ルールベースで動作する
  3. 並列計算が可能で高速
  4. 学習データが不要
こたえを見る

正解: 3. 並列計算が可能で高速

Transformer はセルフアテンションにより全単語を同時処理できるため、GPU の並列計算を活用して高速に学習できます。メモリはむしろO(n²)で増えがち、ルールベースではなく学習型、学習データは大量に必要です。

桜井もものイラスト。美術室で水彩画

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