Update.
[mygptrnn.git] / mygpt.py
index f97af49..633ad64 100755 (executable)
--- a/mygpt.py
+++ b/mygpt.py
@@ -10,6 +10,8 @@
 # with a caching mechanism for keys and values to avoid a O(N^3) cost
 # for auto-regression.
 
+# This implementation is equipped with RNN layers to replace the MHA
+
 import math, warnings
 
 import torch, einops
@@ -37,7 +39,7 @@ import ffutils
 # 1 for the successive tokens.
 #
 # Modules able to process brackets may implement a cache that is
-# resetted when the input bracket starts at t=0
+# resetted when init_cache is True
 
 
 class BracketedSequence:
@@ -457,82 +459,6 @@ def moving_window(x, dim, win_dim, win_size):
 
 ##############################
 
-# This is one order of magnitude more complicated than I expected
-
-
-def flash_back_time_src(N, H, t0, t1, CL, CH, proba, device):
-    # starting flash backs
-    fb_start = (torch.rand(N, CH, t1 - t0, device=device) <= proba).long()
-    fb_start[:, :, -CL:] = 0
-    fb_start[:, :, :CL] = 0
-
-    # Remove series longer than CL
-    fb_body = fb_start.clone()
-    fb_body[:, :, CL + 1 :] -= fb_start[:, :, : -(CL + 1)]
-    fb_body = fb_body.cumsum(dim=2)
-    fb_start = fb_start * (fb_body == 1)
-
-    # pick past starting source times
-    src_time = (
-        fb_start
-        * (
-            torch.rand(fb_start.size(), device=fb_start.device)
-            * (torch.arange(fb_start.size(2), device=fb_start.device) - CL)[
-                None, None, :
-            ]
-        ).long()
-    )
-    src_time[:, :, CL:] -= src_time.clone()[:, :, :-CL]
-    src_time = src_time.cumsum(dim=2)
-
-    src_head = fb_start * torch.randint(H, fb_start.size(), device=fb_start.device)
-    src_head[:, :, CL:] -= src_head.clone()[:, :, :-CL]
-    src_head = src_head.cumsum(dim=2)
-
-    # combine
-    src_delta = fb_start.clone()
-    src_delta[:, :, CL:] -= fb_start[:, :, :-CL]
-    src_delta = src_delta.cumsum(dim=2)
-    src_delta[:, :, CL:] -= CL * fb_start[:, :, :-CL]
-    src_time += src_delta.cumsum(dim=2) - 1
-
-    return src_time, src_head
-
-
-def insert_flash_back(rec_V, V, rec_K, K, t0, t1, CL, proba):
-    N, H, CH = V.size(0), V.size(1), rec_V.size(1)
-
-    fbt, fbh = flash_back_time_src(N, H, t0, t1, CL, CH, proba, rec_V.device)
-
-    fbt_V = fbt[:, :, :, None].expand_as(rec_V[:, :, t0:t1])
-    fbh_V = fbh[:, :, :, None].expand_as(rec_V[:, :, t0:t1])
-    t = fbt_V.clamp(min=0)
-    n = torch.arange(V.size(0), device=V.device)[:, None, None, None].expand_as(
-        rec_V[:, :, t0:t1]
-    )
-    d = torch.arange(V.size(3), device=V.device)[None, None, None, :].expand_as(
-        rec_V[:, :, t0:t1]
-    )
-    q = V[:, :, t0:t1][n, fbh_V, t, d]
-    rec_V[:, :, t0:t1] = q * (fbt_V >= 0) + rec_V[:, :, t0:t1] * (fbt_V < 0)
-
-    fbt_K = fbt[:, :, :, None].expand_as(rec_K[:, :, t0:t1])
-    fbh_K = fbh[:, :, :, None].expand_as(rec_K[:, :, t0:t1])
-    t = fbt_K.clamp(min=0)
-    n = torch.arange(K.size(0), device=K.device)[:, None, None, None].expand_as(
-        rec_K[:, :, t0:t1]
-    )
-    d = torch.arange(K.size(3), device=K.device)[None, None, None, :].expand_as(
-        rec_K[:, :, t0:t1]
-    )
-    q = K[:, :, t0:t1][n, fbh_K, t, d]
-    rec_K[:, :, t0:t1] = q * (fbt_K >= 0) + rec_K[:, :, t0:t1] * (fbt_K < 0)
-
-    # print("SANITY", (fbt_K >=0).float().sum()/fbt_K.numel())
-
-
-######################################################################
-
 
 class Caterpillar(nn.Module):
     def __init__(
@@ -550,13 +476,17 @@ class Caterpillar(nn.Module):
 
         warnings.warn("Caterpillar", RuntimeWarning)
 
-        def randw(*d):
-            return nn.Parameter(torch.randn(*d) / math.sqrt(d[-1]))
+        def randw(*d, amplitude=None):
+            if amplitude is None:
+                amplitude = 1 / math.sqrt(d[-1])
+            return nn.Parameter(amplitude * torch.randn(*d))
 
         self.caterpillar_length = caterpillar_length
         self.caterpillar_height = caterpillar_height
         self.attention_dropout = attention_dropout
 
+        self.proba_gate_dropout = 0.0
+
         self.w_G = randw(nb_heads, caterpillar_height, dim_model)
         self.b_G = nn.Parameter(
             torch.full(
@@ -569,8 +499,16 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         self.w_Q = randw(nb_heads, dim_qk, dim_model)
         self.w_O = randw(dim_v * nb_heads, dim_model)
 
-        self.init_K_rec = randw(caterpillar_height, caterpillar_length, dim_qk)
-        self.init_V_rec = randw(caterpillar_height, caterpillar_length, dim_v)
+        self.init_K_rec = randw(
+            caterpillar_height,
+            caterpillar_length,
+            dim_qk,
+        )
+        self.init_V_rec = randw(
+            caterpillar_height,
+            caterpillar_length,
+            dim_v,
+        )
 
     def reset_inner_loss(self):
         self.acc_attention = 0
@@ -588,78 +526,139 @@ class Caterpillar(nn.Module):
 
         N = bs.x.size(0)
         T = bs.x.size(1)
+        H = self.w_V.size(0)
         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)
 
+        V = torch.einsum("ntc,hdc->nhtd", X, self.w_V)
+        K = torch.einsum("ntc,hdc->nhtd", X, self.w_K)
+
         ######################################################################
         # 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. The CH gating values are independent, which means
-        # that the current K/V could be stored in multiple pairs of the
+        # 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.
 
         G = (
-            torch.einsum("ntc,hec->nhet", X, self.w_G) + self.b_G[None, :, :, None]
+            torch.einsum("ntc,hrc->nhrt", X, self.w_G) + self.b_G[None, :, :, None]
         ).sigmoid()
 
-        # That bas a bad idea
-        # G = F.dropout(G, self.attention_dropout, self.training)
+        ######################################################################
+        # Roll the gating indexes
 
-        V = torch.einsum("ntc,hdc->nhtd", X, self.w_V)
-        K = torch.einsum("ntc,hdc->nhtd", X, self.w_K)
+        warnings.warn("rotating barrel", RuntimeWarning)
+
+        # print(f"SANITY2 {N=} {H=} {R=} {t0=} {t1=} {G.size()=}")
+
+        n_barrel = torch.arange(N, device=G.device)[:, None, None, None]
+        h_barrel = torch.arange(H, device=G.device)[None, :, None, None]
+        r_barrel = torch.arange(R, device=G.device)[None, None, :, None]
+        t_barrel = torch.arange(t1 - t0, device=G.device)[None, None, None, :]
+        r_barrel = (r_barrel + (t_barrel + t0) // L) % R
+
+        # GG = G.gather(dim=2,index=r_barrel)
+        G = G[n_barrel, h_barrel, r_barrel, t_barrel]
+
+        # print("SANITY", (GG-G).abs())
+        # exit(0)
+
+        ######################################################################
+        # The "flashbacks"
+
+        if self.training and self.proba_gate_dropout > 0.0:
+            # This is a better implementation of "flashbacks".
+
+            # G is NxHxExT where e is the caterpillar's row.
+
+            warnings.warn("gate dropout", RuntimeWarning)
+            epsilon = 0.5
+
+            dropout_head = (
+                (torch.rand(N, H, 1, t1 - t0, device=G.device).sort(dim=3).indices == 0)
+                .expand_as(G)
+                .float()
+            )
+
+            dropout_tail = dropout_head.cumsum(dim=3) - dropout_head
+
+            dropout_active = (
+                torch.rand(N, 1, 1, 1, device=G.device) < self.proba_gate_dropout
+            ).long()
+
+            dropout_head *= dropout_active
+            dropout_tail *= dropout_active
+
+            G = (
+                G
+                + dropout_head * (1 - epsilon - G.detach())
+                - dropout_tail * G.detach()
+            )
+
+        ######################################################################
 
         # We prepare the arguments for the parallel scan
 
+        # 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)
+
         A = 1 - G.sum(1)
-        gated_V = torch.einsum("nhet,nhtd->netd", G, V)
-        gated_K = torch.einsum("nhet,nhtd->netd", G, K)
 
-        init_rec_V = self.rec_V[:, :, t0 - CL : t0]
-        init_rec_K = self.rec_K[:, :, t0 - CL : t0]
+        # warnings.warn("harmonic recurrence", RuntimeWarning)
+        # har = torch.arange(t0, t1, device = G.device).float() + 1
+        # A = har / (har + 1)
+        # G = G / har
+
+        gated_V = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, V)
+        gated_K = torch.einsum("nhrt,nhtd->nrtd", G, K)
+
+        # We start from cached values, which matters in inference
 
-        # Here there is a trick: Since the stack at time t is computed
-        # by updating that at time t-L, the parallel scan operates
-        # with a period of L. To do so we split the time indexing in
-        # two axes, the second of size CL, and run the parallel scan
-        # using the other as the sequence index.
+        init_rec_V = self.rec_V[:, :, t0 - L : t0]
+        init_rec_K = self.rec_K[:, :, t0 - L : t0]
 
-        A = A.unflatten(2, (-1, CL))
-        gated_V = gated_V.unflatten(2, (-1, CL))
-        gated_K = gated_K.unflatten(2, (-1, CL))
+        #################################################################
+        # Associative scan
+
+        # 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.
+
+        A = A.unflatten(2, (-1, L))
+        gated_V = gated_V.unflatten(2, (-1, L))
+        gated_K = gated_K.unflatten(2, (-1, L))
 
         next_V = pscan_dim(A, gated_V, init_rec_V, dim=2)
         next_K = pscan_dim(A, gated_K, init_rec_K, dim=2)
 
-        # Put back the sequence index
-
         self.rec_V[:, :, t0:t1] = next_V.flatten(2, 3)
         self.rec_K[:, :, t0:t1] = next_K.flatten(2, 3)
 
-        warnings.warn("flash back", RuntimeWarning)
-        if self.training:
-            insert_flash_back(self.rec_V, V, self.rec_K, K, t0, t1, CL, proba=1e-2 / CL)
-
         ######################################################################
         # compute the readout
 
@@ -670,14 +669,14 @@ class Caterpillar(nn.Module):
         # 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",
@@ -806,7 +805,6 @@ class MyGPT(nn.Module):
         nb_blocks,
         nb_lines=None,
         caterpillar_height=None,
-        dim_rec_v=-1,
         causal=False,
         dropout=0.0,
         len_max=1e5,
@@ -814,7 +812,12 @@ class MyGPT(nn.Module):
     ):
         super().__init__()
 
-        assert attention_layer in {"mha", "dumbrec", "kvrec", "caterpillar"}
+        assert attention_layer in {
+            "mha",
+            "dumbrec",
+            "kvrec",
+            "caterpillar",
+        }, f"Unknown attention operator {attention_layer}."
 
         if attention_layer == "caterpillar":
             assert nb_lines % caterpillar_height == 0
@@ -847,7 +850,7 @@ class MyGPT(nn.Module):
                 return DumbRec(
                     dim_model=dim_model,
                     dim_qk=dim_keys,
-                    dim_v=dim_rec_v,
+                    dim_v=dim_model // nb_heads,
                     nb_heads=nb_heads,
                     nb_lines=nb_lines,
                     attention_dropout=dropout,
@@ -856,7 +859,7 @@ class MyGPT(nn.Module):
                 return KVRec(
                     dim_model=dim_model,
                     dim_qk=dim_keys,
-                    dim_v=dim_rec_v,
+                    dim_v=dim_model // nb_heads,
                     nb_heads=nb_heads,
                     nb_lines=nb_lines,
                     attention_dropout=dropout,
@@ -865,7 +868,7 @@ class MyGPT(nn.Module):
                 return Caterpillar(
                     dim_model=dim_model,
                     dim_qk=dim_keys,
-                    dim_v=dim_rec_v,
+                    dim_v=dim_model // nb_heads,
                     nb_heads=nb_heads,
                     caterpillar_length=self.caterpillar_length,
                     caterpillar_height=self.caterpillar_height,