# 研究提案示例：基于稀疏注意力的长文本 Transformer

## 研究主题

开发一种新的稀疏注意力机制，使 Transformer 模型能够高效处理长文本（10k+ tokens），同时保持或提升性能。

## 1. 研究问题

### 1.1 核心问题

**如何设计一种稀疏注意力机制，使 Transformer 能够在保持性能的同时，将计算复杂度从 O(n²) 降低到 O(n log n)？**

### 1.2 子问题

1. 哪些注意力连接对模型性能最重要？
2. 如何自适应地选择重要的注意力连接？
3. 稀疏化对不同任务的影响如何？
4. 如何在训练和推理中高效实现稀疏注意力？

## 2. 研究目标

### 2.1 主要目标

1. **方法创新**：提出新的自适应稀疏注意力机制
2. **性能提升**：在长文本任务上达到或超越现有方法
3. **效率提升**：将计算和内存成本降低 50% 以上
4. **理论理解**：分析稀疏化对模型能力的影响

### 2.2 预期贡献

**学术贡献**：
- 新的稀疏注意力机制设计
- 长文本处理的理论分析
- 开源实现和预训练模型

**实际价值**：
- 降低长文本处理成本
- 使更长的上下文成为可能
- 提高推理速度

## 3. 研究方法

### 3.1 核心思路

**自适应稀疏注意力**：
- 动态选择重要的注意力连接
- 保留局部注意力（相邻 tokens）
- 学习全局注意力模式
- 任务自适应的稀疏化策略

### 3.2 技术方案

**阶段 1：稀疏模式设计**
- 分析现有稀疏模式（Longformer, BigBird）
- 设计新的自适应选择机制
- 理论分析复杂度和表达能力

**阶段 2：模型实现**
- 实现高效的稀疏注意力算子
- 集成到 Transformer 架构
- 优化训练和推理效率

**阶段 3：实验验证**
- 在多个长文本任务上评估
- 与现有方法对比
- 消融实验分析

## 4. 实验计划

### 4.1 数据集

| 任务 | 数据集 | 序列长度 | 评估指标 |
|------|--------|---------|---------|
| 文档分类 | Hyperpartisan | 4k-16k | F1 |
| 问答 | NarrativeQA | 8k-32k | F1, EM |
| 摘要 | arXiv | 4k-8k | ROUGE |

### 4.2 基线方法

- **Vanilla Transformer**：标准 Transformer（作为上界）
- **Longformer**：固定稀疏模式
- **BigBird**：随机+全局+局部
- **Reformer**：LSH 注意力

### 4.3 评估维度

**性能**：
- 任务准确率
- 与基线对比

**效率**：
- 训练时间
- 推理速度
- 内存占用

**可扩展性**：
- 不同序列长度的表现
- 参数量的影响

## 5. 时间线规划

### 5.1 研究阶段划分

**Phase 1: 准备阶段**（第1-2个月）
- 文献调研和综述
- 问题定义和方法设计
- 初步实验环境搭建
- **里程碑**：研究提案完成

**Phase 2: 探索阶段**（第3-4个月）
- 稀疏模式设计和理论分析
- 初步实现和概念验证
- 小规模实验验证可行性
- **里程碑**：概念验证完成

**Phase 3: 开发阶段**（第5-7个月）
- 完整模型实现
- 优化训练和推理效率
- 在多个数据集上进行实验
- **里程碑**：完整实验结果

**Phase 4: 完成阶段**（第8-9个月）
- 消融实验和深入分析
- 论文撰写和修改
- 代码整理和开源准备
- **里程碑**：论文投稿

### 5.2 关键检查点

**月度检查**：
- 进度回顾和问题识别
- 实验结果分析
- 计划调整

**季度评审**：
- 里程碑评估
- 风险评估和应对
- 资源需求调整

## 6. 资源需求

### 6.1 计算资源

**GPU 需求**：
- 探索阶段：2-4 GPU（V100 或 A100）
- 开发阶段：4-8 GPU
- 完成阶段：8-16 GPU（大规模实验）

**存储需求**：
- 数据集：200 GB
- 模型检查点：100 GB
- 实验日志：50 GB
- 总计：约 350 GB

**预计计算时间**：
- 模型训练：约 500 GPU 小时
- 实验评估：约 200 GPU 小时
- 总计：约 700 GPU 小时

### 6.2 人力资源

**研究负责人**（1人）：
- 研究规划和指导
- 论文撰写
- 时间投入：50%

**研究助理**（1-2人）：
- 实验实现和运行
- 数据分析
- 时间投入：100%

### 6.3 其他资源

**数据集**：
- Hyperpartisan（公开）
- NarrativeQA（公开）
- arXiv（公开）

**软件工具**：
- PyTorch
- Transformers
- Weights & Biases（实验跟踪）

## 7. 总结

本研究提案旨在开发一种新的自适应稀疏注意力机制，解决 Transformer 在长文本处理中的效率问题。

**核心创新**：
- 自适应选择重要的注意力连接
- 将计算复杂度从 O(n²) 降低到 O(n log n)
- 在保持性能的同时提高效率

**预期成果**：
- 在长文本任务上达到或超越现有方法
- 将计算和内存成本降低 50% 以上
- 开源实现和预训练模型

**可行性**：
- 基于成熟的 Transformer 架构
- 有充足的计算资源支持
- 9个月的研究周期合理
- 团队具备相关技术背景

**影响力**：
- 学术贡献：新的稀疏注意力机制和理论分析
- 实际价值：降低长文本处理成本，使更长的上下文成为可能

本研究具有明确的目标、可行的方法和充足的资源支持，预期能够产生有价值的学术成果和实际应用。

