Update.
[mygptrnn.git] / mygpt.py
index 185df38..0414bb6 100755 (executable)
--- a/mygpt.py
+++ b/mygpt.py
@@ -126,7 +126,6 @@ class AddPositionalEncoding(nn.Module):
 
 import pscan
 
-
 # X is /.../xTxD   A is /.../xT   Y_init is /.../xD
 
 
@@ -147,6 +146,18 @@ def pscan_dim(A, X, Y_init, dim=-2):
     return Y
 
 
+def pscan_rgrad(grad_Y, A, X, Y_init, dim=-2, eps=1e-2):
+    with torch.no_grad():
+        s_A, s_X = 0, 0
+        for t in range(X.size(dim) - 1, 0, -1):
+            delta = (grad_Y[t] - s_A) / A[t].grad
+            s_A += A[t].grad * delta
+            A[t].grad = delta
+            delta = (grad_Y[t] - s_X) / X[t].grad
+            s_X += X[t].grad * delta
+            X[t].grad = delta
+
+
 def pscan_shape(A, X, Y_init):
     s = X.size()
     A = A.reshape(-1, s[-2])
@@ -190,6 +201,8 @@ class DumbRec(nn.Module):
         nb_lines,
         attention_dropout=0.0,
         len_max=1e5,
+        logger=print,
+        args=None,
     ):
         super().__init__()
 
@@ -319,6 +332,8 @@ class KVRec(nn.Module):
         nb_lines,
         attention_dropout=0.0,
         len_max=1e5,
+        logger=print,
+        args=None,
     ):
         super().__init__()
 
@@ -471,6 +486,8 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         caterpillar_height,
         attention_dropout=0.0,
         len_max=1e5,
+        logger=print,
+        args=None,
     ):
         super().__init__()
 
@@ -485,14 +502,14 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         self.caterpillar_height = caterpillar_height
         self.attention_dropout = attention_dropout
 
-        self.proba_gate_dropout = 0.0
+        self.gate_dropout_proba = args.gate_dropout_proba
+        self.gate_dropout_sync = args.gate_dropout_sync
 
+        ######################################################################
+
+        default_bg = -math.log(caterpillar_height - 1)
         self.w_G = randw(nb_heads, caterpillar_height, dim_model)
-        self.b_G = nn.Parameter(
-            torch.full(
-                (nb_heads, caterpillar_height), -math.log(caterpillar_height - 1)
-            )
-        )
+        self.b_G = nn.Parameter(torch.full((nb_heads, caterpillar_height), default_bg))
 
         self.w_K = randw(nb_heads, dim_qk, dim_model)
         self.w_V = randw(nb_heads, dim_v, dim_model)
@@ -530,22 +547,22 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         DV = self.w_V.size(1)
         DK = self.w_K.size(1)
         DM = self.w_O.size(1)
-        CH = self.caterpillar_height
-        CL = self.caterpillar_length
+        R = self.caterpillar_height
+        L = self.caterpillar_length
 
         assert (
-            t0 >= CL and (t1 - t0) % CL == 0
+            t0 >= L and (t1 - t0) % L == 0
         ), f"bs.first should be greater than caterpillar_length, and bs.nb should be a multiple of caterpillar_length"
 
         # We cache values to deal efficiently with auto-regression
 
         if bs.init_cache:
-            self.rec_V = X.new_zeros(N, CH, T, DV)
-            self.rec_K = X.new_zeros(N, CH, T, DK)
+            self.rec_V = X.new_zeros(N, R, T, DV)
+            self.rec_K = X.new_zeros(N, R, T, DK)
             # We start the recurrent sequences with optimizable
             # initial values. No idea if it helps.
-            self.rec_V[:, :, t0 - CL : t0] = self.init_V_rec[None, :, :, :]
-            self.rec_K[:, :, t0 - CL : t0] = self.init_K_rec[None, :, :, :]
+            self.rec_V[:, :, t0 - L : t0, :] = self.init_V_rec[None, :, :, :]
+            self.rec_K[:, :, t0 - L : t0, :] = self.init_K_rec[None, :, :, :]
 
             self.cache_Y = X.new_zeros(N, T, DM)
 
@@ -556,8 +573,8 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         # Compute the recurrent state
 
         # This is the Gating sequence that modulates the storing of
-        # the new key and value in the CH pairs of the current
-        # stack. There are CH independent gating values, which means
+        # the new key and value in the R pairs of the current
+        # stack. There are R independent gating values, which means
         # that the current K/V may be stored in multiple pairs of the
         # recurrent state, or not at all.
 
@@ -565,96 +582,100 @@ class Caterpillar(nn.Module):
             torch.einsum("ntc,hrc->nhrt", X, self.w_G) + self.b_G[None, :, :, None]
         ).sigmoid()
 
+        # Clip the gating to avoid values greater than 1 when several
+        # heads hit the same row
+
+        G = G / G.sum(1, keepdim=True).clamp(min=1)
+
         ######################################################################
-        # The "flashbacks"
 
-        if self.training and self.proba_gate_dropout > 0.0:
-            # This is a better implementation of "flashbacks".
+        def recurrence(G, V, K):
+            # We prepare the arguments for the parallel scan
 
-            # G is NxHxExT where e is the caterpillar's row.
+            A = 1 - G.sum(1)
 
-            warnings.warn("gate dropout", RuntimeWarning)
-            epsilon = 0.5
+            gated_V = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, V)
+            gated_K = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, K)
 
-            dropout_head = (
-                (torch.rand(N, H, 1, t1 - t0, device=G.device).sort(dim=3).indices == 0)
-                .expand_as(G)
-                .float()
-            )
+            # We start from cached values, which matters in inference
 
-            dropout_tail = dropout_head.cumsum(dim=3) - dropout_head
+            init_rec_V = self.rec_V[:, :, t0 - L : t0]
+            init_rec_K = self.rec_K[:, :, t0 - L : t0]
 
-            dropout_active = (
-                torch.rand(N, 1, 1, 1, device=G.device) < self.proba_gate_dropout
-            ).long()
+            # Here there is a trick: Since the stack at position t is
+            # computed by updating that at position t-L, the parallel
+            # scan operates with a period of L. To do so we split the
+            # sequence indexing in two axes, the second of size L, and
+            # run the parallel scan using the first as the sequence index.
 
-            dropout_head *= dropout_active
-            dropout_tail *= dropout_active
+            A = A.unflatten(2, (-1, L))
+            gated_V = gated_V.unflatten(2, (-1, L))
+            gated_K = gated_K.unflatten(2, (-1, L))
 
-            G = (
-                G
-                # + dropout_head * (1 - epsilon - G.detach())
-                - dropout_tail * G.detach()
-            )
+            next_V = pscan_dim(A, gated_V, init_rec_V, dim=2)
+            next_K = pscan_dim(A, gated_K, init_rec_K, dim=2)
 
-        ######################################################################
+            next_V = next_V.flatten(2, 3)
+            next_K = next_K.flatten(2, 3)
 
-        # We prepare the arguments for the parallel scan
+            return next_V, next_K
 
-        # Clip the gating to avoid values greater than 1 when several
-        # heads hit the same row
+        #################################################################
 
-        G = G / G.sum(1, keepdim=True).clamp(min=1)
+        next_V, next_K = recurrence(G, V, K)
 
-        A = 1 - G.sum(1)
-        gated_V = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, V)
-        gated_K = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, K)
+        if self.training and self.gate_dropout_proba > 0.0:
+            # G is NxHxRxT where r is the caterpillar's row.
 
-        # We start from cached values, which matters in inference
+            warnings.warn("gate dropout", RuntimeWarning)
 
-        init_rec_V = self.rec_V[:, :, t0 - CL : t0]
-        init_rec_K = self.rec_K[:, :, t0 - CL : t0]
+            # Pick a point in each of the NxHxR timeline and set this
+            # entry and the following to 1
+            kill = (
+                torch.rand(N, H, R, t1 - t0, device=G.device).sort(dim=3).indices == 0
+            ).cumsum(dim=3)
 
-        #################################################################
-        # Associative scan
+            # Keep these mask for only some of the NxHxR
+            kill = kill * (
+                torch.rand(N, H, R, 1, device=G.device) <= self.gate_dropout_proba
+            )
 
-        # Here there is a trick: Since the stack at position t is
-        # computed by updating that at position t-CL, the parallel
-        # scan operates with a period of CL. To do so we split the
-        # sequence indexing in two axes, the second of size CL, and
-        # run the parallel scan using the first as the sequence index.
+            # The coefficient to keep are the complementary
+            mask = 1 - kill
 
-        A = A.unflatten(2, (-1, CL))
-        gated_V = gated_V.unflatten(2, (-1, CL))
-        gated_K = gated_K.unflatten(2, (-1, CL))
+            masked_next_V, masked_next_K = recurrence(G * mask, V, K)
 
-        next_V = pscan_dim(A, gated_V, init_rec_V, dim=2)
-        next_K = pscan_dim(A, gated_K, init_rec_K, dim=2)
+            next_V = next_V.detach() + (masked_next_V - masked_next_V.detach()) / (
+                1 - self.gate_dropout_proba
+            )
+            next_K = next_K.detach() + (masked_next_K - masked_next_K.detach()) / (
+                1 - self.gate_dropout_proba
+            )
 
-        self.rec_V[:, :, t0:t1] = next_V.flatten(2, 3)
-        self.rec_K[:, :, t0:t1] = next_K.flatten(2, 3)
+        self.rec_V[:, :, t0:t1] = next_V
+        self.rec_K[:, :, t0:t1] = next_K
 
         ######################################################################
         # compute the readout
 
         Q = torch.einsum("ntc,hdc->nhtd", X, self.w_Q)
 
-        # We build tensors NxHxTxFxL where N is the sample index, H
-        # the head, T the time, F the row in the caterpillar, and L
+        # We build tensors NxHxTxRxL where N is the sample index, H
+        # the head, T the time, R the row in the caterpillar, and L
         # the column in the caterpillar
 
         windowed_V = moving_window(
-            self.rec_V[:, :, t0 - CL + 1 : t1], dim=2, win_dim=3, win_size=CL
+            self.rec_V[:, :, t0 - L + 1 : t1], dim=2, win_dim=3, win_size=L
         )
 
         windowed_K = moving_window(
-            self.rec_K[:, :, t0 - CL + 1 : t1], dim=2, win_dim=3, win_size=CL
+            self.rec_K[:, :, t0 - L + 1 : t1], dim=2, win_dim=3, win_size=L
         )
 
-        # We have an attention score for each of the CHxCL values
+        # We have an attention score for each of the RxL values
 
         ar = torch.einsum(
-            "nhtd,nftld->nhtfl",
+            "nhtd,nrtld->nhtrl",
             Q,
             windowed_K,
         ) / math.sqrt(DK)
@@ -693,6 +714,8 @@ class QKVAttention(nn.Module):
         nb_heads=1,
         causal=False,
         attention_dropout=0.0,
+        logger=print,
+        args=None,
     ):
         super().__init__()
 
@@ -784,6 +807,8 @@ class MyGPT(nn.Module):
         dropout=0.0,
         len_max=1e5,
         attention_layer="kvrec",
+        logger=print,
+        args=None,
     ):
         super().__init__()
 
@@ -820,6 +845,8 @@ class MyGPT(nn.Module):
                     nb_heads=nb_heads,
                     causal=causal,
                     attention_dropout=dropout,
+                    logger=logger,
+                    args=args,
                 )
             elif attention_layer == "dumbrec":
                 return DumbRec(
@@ -829,6 +856,8 @@ class MyGPT(nn.Module):
                     nb_heads=nb_heads,
                     nb_lines=nb_lines,
                     attention_dropout=dropout,
+                    logger=logger,
+                    args=args,
                 )
             elif attention_layer == "kvrec":
                 return KVRec(
@@ -838,6 +867,8 @@ class MyGPT(nn.Module):
                     nb_heads=nb_heads,
                     nb_lines=nb_lines,
                     attention_dropout=dropout,
+                    logger=logger,
+                    args=args,
                 )
             elif attention_layer == "caterpillar":
                 return Caterpillar(
@@ -848,6 +879,8 @@ class MyGPT(nn.Module):
                     caterpillar_length=self.caterpillar_length,
                     caterpillar_height=self.caterpillar_height,
                     attention_dropout=dropout,
+                    logger=logger,
+                    args=args,
                 )
             else:
                 raise ValueError(f"Unknown attention type {attention_layer}.")