刪掉Transformer中的這幾層性能變好了？

基于Transformer結(jié)構(gòu)的各類語言模型（Bert基于其encoder,Gpt-2基于其decoder）早已經(jīng)在各類NLP任務(wù)上大放異彩，面對讓人眼花繚亂的transformer堆疊方式，你是否也會感到迷茫？沒關(guān)系，現(xiàn)在讓我們回到最初，再次看看transformer 本來的模樣——Rethinking the Value of Transformer Components。該文收錄已于COLING 2020。

眾所周知，一個完整的transformer結(jié)構(gòu)可以切分成Encoder-self attention(“E:SA”)， Encoder-Feed Forward(“E:FF”)， Decoder-Self Attention(“D:SA”)， Decoder-Encoder Attention(“D:EA”) 和 Decoder-Feed Forward(“D:FF”) 5個sub-layer結(jié)構(gòu)。文中作者采用了兩種度量方式確認(rèn)這些sub-layer的重要程度。

方法稍后再談，先上干貨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

Decoder self-attention layers是最不重要的，而Decoder feed-forward layers是最重要的；

離模型的輸入和輸出越近的sub-layer要比其他的重要些；

在decoder里越靠后的encoder-attention layer要比之前的重要。

這些結(jié)果對不同的度量方法，數(shù)據(jù)集，初始化種子以及模型容量都能保持一致性。

▲Transformer結(jié)構(gòu)圖

模塊重要性分析

所謂的重要性究竟是什么呢？論文認(rèn)為，這主要包括兩個方面：

Contribution in information Flow，對于模型信息流的貢獻(xiàn)程度

Criticality in Representation Generalization，模型的模塊對參數(shù)的擾動表現(xiàn)出不同的魯棒性

Contribution in Information Flow

Transformer 最初是用來做機(jī)器翻譯任務(wù)的。所謂的information flow就是指數(shù)據(jù)如何從源語言經(jīng)過Transformer的encoder和decoder最終成為目標(biāo)語言的。如何衡量模型的每個部分對information flow做出的貢獻(xiàn)呢? 最直觀的想法就是去掉那個部分看看同樣條件下模型的效果如何。如果去掉那個部分，模型效果沒什么變化，那就說明該部分沒做什么貢獻(xiàn)，反之，如果刪掉該部分，模型效果顯著降低則說明它貢獻(xiàn)卓著，沒它不行。作者采用了如下的量化方法：

公式中指的是去除第n個部分后模型整體的BLEU得分降。為了避免出現(xiàn)重要性指數(shù)出現(xiàn)負(fù)值和爆炸性下跌，作者將的值設(shè)定在[0,C]之間(真的會出現(xiàn)負(fù)重要性指數(shù)嗎？那樣倒挺好——模型變小，效果更好)。然后通過除以最大的得分降將的值進(jìn)行了歸一化，這里作者設(shè)置的上限C值為基線模型的BLEU得分的1/10.

Criticality in Representation Generalization

這里說的criticality指的是模型的模塊對參數(shù)的擾動表現(xiàn)出不同的魯棒性。比方說，如果將某個模塊的參數(shù)重置為初始化參數(shù)，模型的表現(xiàn)變差，那么這個模塊就是critical的，否則就是non-critical的。有人在理論上將這個criticality給公式化了，而且他們表明這個criticality可以反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。

作者便是參考了這個工作，對網(wǎng)絡(luò)的第n個模塊，定義

即初始權(quán)重和最終權(quán)重的一個凸組合。

那么第n個部分的criticality score就可以表示為

這個式子定量的說明了criticality是最小的能使模型在閾值的情況下保持性能。這個值越小說明該模塊越不重要，這里取的是 0.5 BLEU分。

兩種度量方法雖然都是基于模塊對模型表現(xiàn)的影響的，但是又有不同之處。Contribution score可以看成是 hard metric(完全刪除模塊)，而 Criticality score可以看成是一種soft metric,它衡量的是在保證模型表現(xiàn)的前提下模塊參數(shù)能多大程度的回卷。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在WMT2014 English-German(En-De)和English-French(En-Fr)兩個機(jī)器翻譯數(shù)據(jù)集上進(jìn)行的，作者使用的Transformer模型和Transformer的那篇原始文獻(xiàn)(Vaswani et al.,2017)是一樣的。Transformer model 一共6層編碼器和解碼器，layer size是512，feed-forward sub-layer的size是2048，attention head的數(shù)值是8，dropout是0.1，initialization seed設(shè)置為1。

觀察模塊的重要性

上圖是采用兩種度量方式在兩個數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中X軸代表的是模塊類型，Y軸表示的是layer id。其中顏色越深就越重要?？梢钥闯鰞煞N度量方式的結(jié)果很大程度上是一致的，比方說：

the decoder self-attention(D:SA)是最不重要的，而the decoder feed-forward layers(D:FF)是最重要的。

編碼器里越靠前(E:SA和E:FF)和解碼器里越靠后(D:EA和D:FF)是更重要的。這個其實(shí)很直觀，因?yàn)檫@些模塊離數(shù)據(jù)的輸入和輸出更近，所以對輸入句子的理解和輸出句子的生成要更加重要些。

在解碼器里越靠后的encoder-attention(D:EA)layers要比之前的encoder-attention layers重要。

分析不重要的模塊

更低的dropout比例和更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)會讓不重要的模塊變得更少（dropout是一種常見的用來防止過擬合的手段）。為了保證模型的效果，當(dāng)我們使用dropout的時候其實(shí)說明模型本身有一定程度上的冗余。在不降低模型效果的前提下，小的dropout比例剛好說明模型的冗余越少，也就是不重要的模塊更少。大規(guī)模的訓(xùn)練數(shù)據(jù)本身就自帶更多的patterns。需要充分發(fā)揮transformer的各個模塊才能有效地學(xué)習(xí)到。

從上面兩張圖可以明顯的看出：當(dāng)使用更小的dropout和更大的數(shù)據(jù)集時，顏色深的版塊明顯變得更多。此外之前所得到的結(jié)論這里依然成立。

區(qū)分和利用一批不重要的模塊

之前的結(jié)果都是只刪除一個模塊得到，那我們一次性刪除多個模塊呢？

上圖顯示當(dāng)我們刪除3到4個不重要的模塊時，模型效果并沒有明顯降低。但是當(dāng)刪的更多了之后，模型的效果會受到較大的影響。那么我們是否可以利用這些不怎么重要的模塊去對模型進(jìn)行優(yōu)化呢？作者采用了兩種方式：一個是模塊剪枝，另一個是模塊回卷。

模塊剪枝就是將不重要的模塊直接刪掉，因?yàn)閯h掉了相應(yīng)模塊使得模型的參數(shù)變小，作為對比作者在相同參數(shù)量下使用了一個淺層的decoder模型結(jié)果如表：

可以看出剪枝后的模型要比同樣參數(shù)下的淺層模型結(jié)果要好，而且也能達(dá)到和原始模型相應(yīng)的效果，有的甚至更好(還真有)。

模塊回卷就是將不重要的模塊參數(shù)回卷到初始化狀態(tài)，再和其他模塊一起微調(diào)一下得到的訓(xùn)練結(jié)果要比原始模型好一點(diǎn)。

總結(jié)

我們可以利用contribution score和criticality score評價模型中各個模塊的重要性，知曉了模塊的重要性程度后我們可以對不重要的模塊進(jìn)行剪枝或者參數(shù)回卷都能在一定程度上讓原有模型得到優(yōu)化。

原文標(biāo)題：我刪掉了Transformer中的這幾層…性能反而變好了？

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