Self-Attention（自己注意機構）（セルフアテンション）
Transformerアーキテクチャの中核をなす機構で、入力シーケンス内の各トークンが他の全トークンとの関連度（Attention Weight）を計算し、文脈に応じた表現を動的に生成する仕組み。Query・Key・Valueの3つの射影行列を用いて計算される。
Self-Attention（自己注意機構）とは
Self-Attention（自己注意機構）は、Transformerモデルの根幹をなす計算機構です。入力シーケンス内の各トークンが、同じシーケンス内の他の全トークンとの関連性を動的に計算し、文脈を反映した表現ベクトルを生成します。2017年のGoogle論文「Attention Is All You Need」で提案されて以来、GPT-4o・Claude 4・Gemini 2.5など現代のLLMすべてがこの機構に基づいています。
計算の仕組み
Query・Key・Valueの3要素
Self-Attentionは各トークンの入力ベクトルを3つの異なる線形変換で射影します。
| 要素 | 役割 | 直感的な比喩 |
|---|---|---|
| Query (Q) | 「何を知りたいか」を表す | 検索エンジンに入力するクエリ |
| Key (K) | 「どんな情報を持っているか」を表す | 文書のインデックスキー |
| Value (V) | 「実際の情報内容」を表す | 文書の本文 |
計算手順
- 入力ベクトル X に対し、重み行列 W_Q, W_K, W_V をそれぞれ乗算して Q, K, V を生成
- Q と K の転置行列の内積を計算（各トークンペア間のスコア）
- スコアを √d_k（Key の次元数の平方根）で割ってスケーリング
- Softmax関数で正規化し、Attention Weight（注意重み）を得る
- Attention Weight と V の行列積で最終出力を計算
数式で表すと: Attention(Q, K, V) = softmax(QK^T / √d_k) V
スケーリングの理由
d_k が大きいとQK^Tの内積値が極端に大きくなり、Softmaxの出力がほぼone-hot（1つだけ1で残り0）になってしまいます。√d_k で割ることで勾配が安定し、学習が円滑に進みます。GPT-4クラスのモデルでは d_k = 128 程度が一般的で、√128 ≈ 11.3 で除算します。
計算量とメモリ
Self-Attentionの計算量はシーケンス長 n に対して O(n²) です。これが長文処理のボトルネックになります。
| シーケンス長 | Attention行列サイズ | FP16メモリ（1ヘッド） |
|---|---|---|
| 2,048 | 4M要素 | 8 MB |
| 8,192 | 67M要素 | 128 MB |
| 32,768 | 1,073M要素 | 2 GB |
| 131,072 | 17,179M要素 | 32 GB |
| 1,000,000 | 1T要素 | 1.9 TB |
この二乗スケーリングが、FlashAttentionやGrouped-Query Attentionなどの効率化手法が研究される動機です。
Masked Self-Attention（因果的注意）
GPTなどのデコーダモデルでは、未来のトークンを参照できないようにマスクをかけます。Attention行列の上三角部分を -∞ に設定し、Softmax後に0にすることで、各位置が自分より前のトークンのみを参照する「因果的（causal）」な制約を実現します。
一方、BERTなどのエンコーダモデルではマスクなしの双方向Self-Attentionを使い、文全体の文脈を双方向に捉えます。
RNNとの比較
| 特性 | Self-Attention | RNN/LSTM |
|---|---|---|
| 長距離依存 | O(1)パス長 | O(n)パス長 |
| 並列化 | 全位置を同時計算可能 | 逐次処理必須 |
| 計算量 | O(n²d) | O(nd²) |
| メモリ | O(n²) | O(n) |
| 学習速度 | 高速（GPU並列） | 低速（逐次依存） |
Self-Attentionは長距離の依存関係を1ステップで捉えられる反面、シーケンスが長くなるとメモリ使用量が急増します。この特性がLinear AttentionやState Space Model（Mamba等）の研究動機になっています。
よくある質問
Q1: Self-AttentionとAttentionの違いは何ですか？
A1: Attentionは2つの異なるシーケンス間（例：翻訳の入力文と出力文）の関連を計算する汎用概念です。Self-Attentionはその特殊ケースで、同一シーケンス内のトークン同士の関連を計算します。
Q2: なぜSelf-AttentionはRNNより優れているのですか？
A2: 最大の利点は並列計算が可能な点です。RNNは前のトークンの処理完了を待つ必要がありますが、Self-Attentionは全トークンを同時に処理できるため、GPUの並列性能を最大限活用できます。
Q3: Self-Attentionの計算量O(n²)を改善する方法はありますか？
A3: FlashAttention（IO最適化）、Grouped-Query Attention（ヘッド共有）、Linear Attention（カーネル近似）、Ring Attention（分散処理）など多数の手法が提案されています。2026年現在、FlashAttention-3が実用的な標準手法です。