[Python] 간단한 Attention 메커니즘 구현하기 (Query, Key, Value 이해하기)

 

안녕하세요 오늘은 딥러닝 모델에서 핵심으로 쓰이는 Attention 매커니즘을 파이썬 코드로 직접 구현해보겠습니다. 

Attention 이란 "어떤 입력이 현재 상황에서 얼마나 중요한지" 를 계산해 가중치를 주는 방식을 의미합니다. 

 

Attention 이란 

사람도 문장을 읽을 때 모든 단어를 동일하게 보지 않고 상황에 따라 더 중요하다고 판단되는 단어에 집중(attention) 합니다. 

딥러닝에서의 Attention 개념 또한, 현재 생성해야할 출력 (ex. 다음 글자, 다음 음향 프레임 등) 에 맞춰 과거 정보 중에서 관련성이 높은 부분에 더 큰 가중치를 주고, 그 가중치를 활용해 다음 출력을 만듭니다. 

즉, Attention은 모델이 ‘모든 입력을 동일하게 보지 않고, 중요한 부분에 집중하게 만드는 장치’입니다.

 

모델은 매 스텝마다 "지금 내가 만들고 싶은 것(Query)"과 "데이터베이스 내의 각 조각들(key)" 을 비교해 "유사도 점수" 를 계산합니다. 점수가 높을수록 지금 필요한 정보에 가깝다는 뜻이 됩니다. 

이 점수는 최종 출력에 반영되어, 모델이 더 정교한 결과를 낼 수 있게 합니다

 

유사성에 따른 가중치 점수가 필요한 이유

1. 노이즈 억제 : 관련 없는 정보는 낮은 가중치를 적용해 영향을 최소화합니다. 사용자가 기대한 대답과 거리가 먼 대답이 출력될 가능성을 낮추는 것입니다. 

2. 모호성 해소 : 비슷한 후보들 중 문맥상 맞는 것을 크게 키워 동음이의어 or 모호한 상황을 풀어집니다. 

3. 장기 의존성 처리 : 물리적으로 떨어져있는 정보라도, 유사도만 높다면 즉시 참조할 수 있어 긴 문맥을 다룰때 유리합니다! 

4. 다각적 관계 포착(멀티헤드): attention 개념에는 헤드 개념이 필수적입니다. 여러개의 관점(음향데이터일 경우 의미, 리듬 등) 을 동시에 고려해 다각도에서 연관성을 판단합니다. 

 

기본 개념 정리 

Attention이란?

• 입력 시퀀스(텍스트, 음성 프레임 등) 중 중요한 부분에 더 집중하도록 가중치를 주는 메커니즘.
• 번역, 음성 합성, 이미지 캡션 등 다양한 AI 모델의 핵심 기술.

Query, Key, Value

• Query(Q): 내가 지금 찾고 싶은 정보
• Key(K): 참고할 수 있는 후보들의 이름표
• Value(V): 후보가 가진 실제 정보
  → Query와 Key의 유사도를 비교해 가중치(Attention Score)를 구하고, 그 비율만큼 Value들을 섞어 최종 결과를 만듭니다.

Self-Attention vs Cross-Attention

• Self-Attention: Q, K, V가 같은 시퀀스에서 나옴 (문장 내 단어들끼리 관계 계산)
• Cross-Attention: Q는 한쪽(예: 텍스트), K/V는 다른 쪽(예: 음성)에서 나옴

 

1. Attention 예제 코드 

 

 

1) 함수 정의

def scaled_dot_product_attention(query, key, value):

 

• Attention의 핵심을 함수화.
• query, key, value는 보통 배치(batch) 단위로 들어오기 때문에 (batch_size, seq_len, dim) 형태의 텐서.

 

 

2) 유사도 점수 계산

scores = torch.matmul(query, key.transpose(-2, -1))

• Query (Q)와 Key (K)의 내적(dot product)을 통해 유사도 점수를 구함.
• key.transpose(-2, -1) : 마지막 두 차원을 바꿔서 행렬 곱이 가능하게 변환.
• 즉, Query 하나당 Key 전체와의 관련도를 모두 뽑아낸다.

 

3) 스케일링 (scaling) 

d_k = key.size(-1)
scores = scores / (d_k ** 0.5)

 

 

• 차원 수가 커질수록 dot product 값이 기하급수적으로 커짐 → softmax가 한쪽으로 몰려버리는 문제 발생.
• 따라서 보통 차원의 제곱근으로 나눠서 값의 크기를 안정화시킴. 
• 이름 그대로 Scaled Dot-Product Attention 의 “Scaled” 부분

 

*soft max 란 ? : 주어진 점수(실수 벡터) 를 0~1 사이값으로 변환하고 그값들의 합이 1이 되도록 정규화 하는 함수. 

 

4) Softmax 적용 

attention_weights = F.softmax(scores, dim=-1)

• softmax 함수 -> 점수를 확률 분포(0~1 사이, 합=1) 로 변환.
• dim=-1은 Key 방향으로 softmax 적용 → Query가 각 Key에 얼마나 집중할지 확률화한다. 

 

 

5) Value 와 결합 및 반환 (return) 

output = torch.matmul(attention_weights, value)

return output, attention_weights

 

• Attention Weights × Value → 가중합.
• 즉, “Query가 Key와 비교해 중요도가 높은 Value를 더 많이 섞어낸 결과.”

 

output: 최종 컨텍스트 벡터 (모델이 다음 단계에 참고할 정보)