无需归一化的Transformers：神经网络设计的突破

Transformers without Normalization

引言

在深度学习的快速发展中，归一化层（如Batch Normalization和Layer Normalization）长期以来被认为是训练现代神经网络不可或缺的组成部分。然而，一项名为《无需归一化的Transformers》的研究挑战了这一传统观念。该研究提出了一种简单而强大的技术——动态Tanh（DyT），它可以替代Transformers中的归一化层，并实现相当甚至更优的性能。本文将深入探讨这一创新方法的关键发现、方法论及其意义。

归一化层的作用

归一化层，如Batch Normalization (BN) 和 Layer Normalization (LN)，在稳定和加速深度神经网络的训练中起到了关键作用。它们通过减少内部协变量偏移，帮助网络更快收敛并获得更好的泛化能力。尽管这些层被广泛采用，但它们的必要性却很少被质疑——直到现在。

动态Tanh（DyT）的引入

该研究提出了动态Tanh（DyT），这是一种逐元素操作，定义为：

其中，α 是一个可学习的标量参数，允许根据输入的范围对其进行不同的缩放，从而适应不同的 x 尺度。这也是我们将整个操作命名为“动态”Tanh的原因。

DyT的关键优势

• 简单性：DyT可以直接替换归一化层，操作简单。
• 性能：使用DyT的模型在各种任务中表现与归一化模型相当甚至更好。
• 效率：初步测量表明，DyT提高了训练和推理速度。

实验验证

研究者在多种场景下进行了广泛的实验，包括：

1. 视觉监督学习：在ImageNet-1K分类任务中，DyT在Vision Transformers (ViT) 和 ConvNeXt模型中的表现优于LN。
2. 自监督学习：在掩码自编码器（MAE）和DINO等任务中，DyT的表现与LN相当。
3. 扩散模型：在Diffusion Transformers (DiT) 中，DyT取得了与LN相当或更好的FID分数。
4. 大语言模型：在LLaMA模型中，DyT在不同规模下的表现与RMSNorm相当。

分析与见解

研究还对DyT的特性进行了详细分析：

• 效率：与RMSNorm相比，DyT显著减少了计算时间，使其成为高效网络设计的有力候选。
• 消融实验：tanh函数和可学习的缩放因子(\alpha)对DyT的有效性至关重要。移除其中任何一个组件都会导致性能下降。
• 与其他方法的比较：DyT在性能上始终优于其他旨在去除归一化层的方法，如Fixup和SkipInit。

对未来研究的影响

这项研究的发现挑战了传统上对归一化层在深度学习中必要性的理解。通过证明Transformers可以在没有归一化的情况下有效训练，这项研究为探索简化并增强神经网络架构的替代机制开辟了新的途径。

结论

**动态Tanh（DyT）**的引入标志着深度学习领域的一个重要里程碑。通过提供一种简单而有效的归一化层替代方案，DyT不仅能够匹配传统方法的性能，甚至在某些情况下表现更优。这一突破有望重塑神经网络的设计和优化方式，为更高效、可扩展的模型铺平道路。

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