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NLP这两年:15个预训练模型对比分析与剖析
作者 | JayLou
来源 | 知乎
Question List
Q1:从不同维度对比各【预训练语言模型】? Q2:基于深度学习的NLP特征抽取机制有哪些?各有哪些优缺点? Q3:自回归和自编码语言模型各有什么优缺点? Q4:单向模型的内核机制是怎样的?有哪些缺点? Q5:Transformer内部机制的深入理解: 为什么是缩放点积,而不是点积模型? 相较于加性模型,点积模型具备哪些优点? 多头机制为什么有效? Q6-Q10:BERT内核机制探究 BERT为什么如此有效? BERT存在哪些优缺点? BERT擅长处理哪些下游NLP任务? BERT基于“字输入”还是“词输入”好?(对于中文任务) BERT为什么不适用于自然语言生成任务(NLG)? Q11-Q15:针对BERT原生模型的缺点,后续的BERT系列模型是: 如何改进【生成任务】的? 如何引入【知识】的? 如何引入【多任务学习机制】的? 如何改进【mask策略】的? 如何进行【精细调参】的? Q16:XLNet提出的背景是怎样的? Q17:XLNet为何如此有效: 为什么PLM可以实现双向上下文的建模? 怎么解决没有目标(target)位置信息的问题? Q18:Transformer-XL怎么实现对长文本建模?
三.单向模型回顾+内核机制探究
四.BERT的内核机制探究
五.BERT系列模型进展介绍
六.XLNET的内核机制探究
七.预训练语言模型的未来
一、不同视角下的预训练语言模型对比
不同的特征抽取机制 RNNs:ELMO/ULMFiT/SiATL; Transformer:GPT1.0/GPT2.0/BERT系列模型; Transformer-XL:XLNet; 不同的预训练语言目标 自编码(AutoEncode):BERT系列模型; 自回归(AutoRegression):单向模型(ELMO / ULMFiT / SiATL / GPT1.0 / GPT2.0)和XLNet; BERT系列模型的改进 引入常识:ERNIE1.0 / ERNIE(THU) / ERNIE2.0(简称为“ERNIE系列”); 引入多任务学习:MTDNN/ERNIE2.0; 基于生成任务的改进:MASS/UNILM; 不同的mask策略:WWM/ERNIE系列/SpanBERT; 精细调参:RoBERTa; 特征表示(是否能表示上下文) 单向特征表示:单向模型(ELMO/ULMFiT/SiATL/GPT1.0/GPT2.0); 双向特征表示:BERT系列模型+XLNet;
二、预训练语言模型的基础:特征抽取机制+语言模型的分类
MLP:不考虑序列(位置)信息,不能处理变长序列,如NNLM和word2vec; CNNs:考虑序列(位置)信息,不能处理长距离依赖,聚焦于n-gram提取,pooling操作会导致序列(位置)信息丢失; RNNs:天然适合处理序列(位置)信息,但仍不能处理长距离依赖(由于BPTT导致的梯度消失等问题),故又称之为“较长的短期记忆单元(LSTM)”; Transformer/Transformer-XL:self-attention解决长距离依赖,无位置偏差;
MLP/CNNs/Transformer:前馈/并行 RNNs/ Transformer-XL:循环/串行:
CNNs: RNNs: Self Attention:
优点: 文本序列联合概率的密度估计,即为传统的语言模型,天然适合处理自然生成任务; 缺点: 联合概率按照文本序列从左至右分解(顺序拆解),无法通过上下文信息进行双向特征表征; 代表模型:ELMO/GPT1.0/GPT2.0; 改进:XLNet将传统的自回归语言模型进行推广,将顺序拆解变为随机拆解(排列语言模型),产生上下文相关的双向特征表示;
优点:本质为降噪自编码特征表示,通过引入噪声[MASK]构建MLM,获取上下文相关的双向特征表示; 缺点:引入独立性假设,为联合概率的有偏估计,没有考虑预测[MASK]之间的相关性 不适合直接处理生成任务,MLM预训练目标的设置造成预训练过程和生成过程不一致; 预训练时的[MASK]噪声在finetune阶段不会出现,造成两阶段不匹配问题; 代表模型:BERT系列模型;
三、单向模型回顾+内核机制探究
要点: 引入双向语言模型,其实是2个单向语言模型(前向和后向)的集成; 通过保存预训练好的2层biLSTM,通过特征集成或finetune应用于下游任务; 缺点: 本质上为自回归语言模型,只能获取单向的特征表示,不能同时获取上下文表示; LSTM不能解决长距离依赖。 为什么不能用biLSTM构建双向语言模型? 不能采取2层biLSTM同时进行特征抽取构建双向语言模型,否则会出现标签泄漏的问题;因此ELMO前向和后向的LSTM参数独立,共享词向量,独立构建语言模型;
三阶段训练:LM预训练+精调特定任务LM+精调特定分类任务; 特征抽取:3层AWD-LSTM; 精调特定分类任务:逐层解冻;
二阶段训练:LM预训练+特定任务精调分类任务(引入LM作为辅助目标,辅助目标对于小数据有用,与GPT相反);
- 特征抽取:LSTM+self-attention;精调特定分类任务:逐层解冻; 都通过一些技巧解决finetune过程中的灾难性遗忘问题:如果预训练用的无监督数据和任务数据所在领域不同,逐层解冻带来的效果更明显[9];
GPT1.0[10]要点: 采用Transformer进行特征抽取,首次将Transformer应用于预训练语言模型; finetune阶段引入语言模型辅助目标(辅助目标对于大数据集有用,小数据反而有所下降,与SiATL相反),解决finetune过程中的灾难性遗忘; 预训练和finetune一致,统一二阶段框架; GPT2.0[11]要点: 没有针对特定模型的精调流程:GPT2.0认为预训练中已包含很多特定任务所需的信息。 生成任务取得很好效果,使用覆盖更广、质量更高的数据; 缺点: 依然为单向自回归语言模型,无法获取上下文相关的特征表示;
四、BERT内核机制探究
为什么是缩放点积,而不是点积模型? 当输入信息的维度 d 比较高,点积模型的值通常有比较大方差,从而导致 softmax 函数的梯度会比较小。因此,缩放点积模型可以较好地解决这一问题。 为什么是双线性点积模型(经过线性变换Q K)? 双线性点积模型,引入非对称性,更具健壮性(Attention mask对角元素值不一定是最大的,也就是说当前位置对自身的注意力得分不一定最高)。 相较于加性模型,点积模型具备哪些优点? 常用的Attention机制为加性模型和点积模型,理论上加性模型和点积模型的复杂度差不多,但是点积模型在实现上可以更好地利用矩阵乘积,从而计算效率更高(实际上,随着维度d的增大,加性模型会明显好于点积模型)。 多头机制为什么有效? 类似于CNN中通过多通道机制进行特征选择; Transformer中先通过切头(spilt)再分别进行Scaled Dot-Product Attention,可以使进行点积计算的维度d不大(防止梯度消失),同时缩小attention mask矩阵。
FFN 将每个位置的Multi-Head Attention结果映射到一个更大维度的特征空间,然后使用ReLU引入非线性进行筛选,最后恢复回原始维度。 Transformer在抛弃了 LSTM 结构后,FFN 中的 ReLU成为了一个主要的提供非线性变换的单元。
为什么引入 和 建模Positional Encoding?
引入 和 是为了使模型实现对相对位置的学习,两个位置 pos 和 pos+k 的位置编码是固定间距k的线性变化: 可以证明:间隔为k的任意两个位置编码的欧式空间距离是恒等的,只与k有关。
引入Masked Language Model(MLM)预训练目标,能够获取上下文相关的双向特征表示; 引入Next Sentence Prediction(NSP)预训练目标,擅长处理句子或段落的匹配任务; 引入强大的特征抽取机制Transformer(多种机制并存): Multi-Head self attention:多头机制类似于“多通道”特征抽取,self attention通过attention mask动态编码变长序列,解决长距离依赖(无位置偏差)、可并行计算; Feed-forward :在位置维度计算非线性层级特征; Layer Norm & Residuals:加速训练,使“深度”网络更加健壮; 引入大规模、高质量的文本数据;
优点:能够获取上下文相关的双向特征表示; 缺点: 生成任务表现不佳:预训练过程和生成过程的不一致,导致在生成任务上效果不佳; 采取独立性假设:没有考虑预测[MASK]之间的相关性,是对语言模型联合概率的有偏估计(不是密度估计); 输入噪声[MASK],造成预训练-精调两阶段之间的差异; 无法文档级别的NLP任务,只适合于句子和段落级别的任务;
五、BERT系列模型进展介绍
统一预训练框架:通过类似的Seq2Seq框架,在预训练阶段统一了BERT和LM模型; Encoder中理解unmasked tokens;Decoder中需要预测连续的[mask]tokens,获取更多的语言信息;Decoder从Encoder中抽取更多信息; 当k=1或者n时,MASS的概率形式分别和BERT中的MLM以及GPT中标准的LM一致(k为mask的连续片段长度))
统一预训练框架:和直接从mask矩阵的角度统一BERT和LM; 3个Attention Mask矩阵:LM、MLM、Seq2Seq LM; 注意:UNILM中的LM并不是传统的LM模型,仍然是通过引入[MASK]实现的;
在预训练阶段引入知识(实际是预先识别出的实体),引入3种[MASK]策略预测: Basic-Level Masking:跟BERT一样,对subword进行mask,无法获取高层次语义; Phrase-Level Masking:mask连续短语; Entity-Level Masking:mask实体;
基于BERT预训练原生模型,将文本中的实体对齐到外部的知识图谱,并通过知识嵌入得到实体向量作为ERNIE的输入; 由于语言表征的预训练过程和知识表征过程有很大的不同,会产生两个独立的向量空间。为解决上述问题,在有实体输入的位置,将实体向量和文本表示通过非线性变换进行融合,以融合词汇、句法和知识信息; 引入改进的预训练目标 Denoising entity auto-encoder (DEA):要求模型能够根据给定的实体序列和文本序列来预测对应的实体;
MTDNN是在下游任务引入多任务机制的,而ERNIE 2.0 是在预训练引入多任务学习(与先验知识库进行交互),使模型能够从不同的任务中学到更多的语言知识。 主要包含3个方面的任务: word-aware 任务:捕捉词汇层面的信息; structure-aware 任务:捕捉句法层面的信息; semantic-aware 任务:捕捉语义方面的信息; 主要的方式是构建增量学习(后续可以不断引入更多的任务)模型,通过多任务学习持续更新预训练模型,这种连续交替的学习范式不会使模型忘记之前学到的语言知识。 将3大类任务的若干个子任务一起用于训练,引入新的任务时会将继续引入之前的任务,防止忘记之前已经学到的知识,具体是一个逐渐增加任务数量的过程[22]:
(task1)->(task1,task2)->(task1,task2,task3)->…->(task1,task2,…,taskN),
原生BERT模型:按照subword维度进行mask,然后进行预测; BERT WWM(Google):按照whole word维度进行mask,然后进行预测; ERNIE等系列:引入外部知识,按照entity维度进行mask,然后进行预测; SpanBert:不需要按照先验的词/实体/短语等边界信息进行mask,而是采取随机mask: 采用Span Masking:根据几何分布,随机选择一段空间长度,之后再根据均匀分布随机选择起始位置,最后按照长度mask;通过采样,平均被遮盖长度是3.8 个词的长度; 引入Span Boundary Objective:新的预训练目标旨在使被mask的Span 边界的词向量能学习到 Span中被mask的部分;新的预训练目标和MLM一起使用; 注意:BERT WWM、ERNIE等系列、SpanBERT旨在隐式地学习预测词(mask部分本身的强相关性)之间的关系[23],而在 XLNet 中,是通过 PLM 加上自回归方式来显式地学习预测词之间关系;
丢弃NSP,效果更好; 动态改变mask策略,把数据复制10份,然后统一进行随机mask; 对学习率的峰值和warm-up更新步数作出调整; 在更长的序列上训练:不对序列进行截短,使用全长度序列;
六、XLNet的内核机制探究
对于ELMO、GPT等预训练模型都是基于传统的语言模型(自回归语言模型AR),自回归语言模型天然适合处理生成任务,但是无法对双向上下文进行表征,因此人们反而转向自编码思想的研究(如BERT系列模型); 自编码语言模型(AE)虽然可以实现双向上下文进行表征,但是: BERT系列模型引入独立性假设,没有考虑预测[MASK]之间的相关性; MLM预训练目标的设置造成预训练过程和生成过程不一致; 预训练时的[MASK]噪声在finetune阶段不会出现,造成两阶段不匹配问题; 有什么办法能构建一个模型使得同时具有AR和AE的优点并且没有它们缺点呢?
为什么PLM可以实现双向上下文的建模? PLM的本质就是LM联合概率的多种分解机制的体现; 将LM的顺序拆解推广到随机拆解,但是需要保留每个词的原始位置信息(PLM只是语言模型建模方式的因式分解/排列,并不是词的位置信息的重新排列!) 如果遍历 𝑇! 种分解方法,并且模型参数是共享的,PLM就一定可以学习到各种双向上下文;换句话说,当我们把所有可能的𝑇! 排列都考虑到的时候,对于预测词的所有上下文就都可以学习到了! 由于遍历 𝑇! 种路径计算量非常大(对于10个词的句子,10!=3628800)。因此实际只能随机的采样𝑇!里的部分排列,并求期望;
怎么解决没有目标(target)位置信息的问题? 对于没有目标位置信息的问题,XLNet 引入了Two-Stream Self-Attention:
Query 流就为了预测当前词,只包含位置信息,不包含词的内容信息; Content 流主要为 Query 流提供其它词的内容向量,包含位置信息和内容信息;
BERT(Transformer)的最大输入长度为512,那么怎么对文档级别的文本建模? vanilla model进行Segment,但是会存在上下文碎片化的问题(无法对连续文档的语义信息进行建模),同时推断时需要重复计算,因此推断速度会很慢; Transformer-XL改进 对于每一个segment都应该具有不同的位置编码,因此Transformer-XL采取了相对位置编码; 前一个segment计算的representation被修复并缓存,以便在模型处理下一个新的segment时作为扩展上下文resume; 最大可能依赖关系长度增加了N倍,其中N表示网络的深度; 解决了上下文碎片问题,为新段前面的token提供了必要的上下文; 由于不需要重复计算,Transformer-XL在语言建模任务的评估期间比vanilla Transformer快1800+倍; 引入recurrence mechanism(不采用BPTT方式求导): 引入相对位置编码方案:
复兴语言模型:进一步改进语言模型目标,不断突破模型的上界; 大数据、大算力:将大数据、大算力推到极致; 更快的推断:轻量级模型是否有可能达到SOTA效果? 引入更丰富的知识信息,更精细的调参,更有价值的MASK策略; 统一条件生成任务框架,如基于XLNet统一编码和解码任务,同时可考虑更快的解码方式;
参考文献
https://zhuanlan.zhihu.com/p/76912493
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