詳解一種簡單而有效的Transformer提升技術(shù)

01研究背景及動機(jī)

近些年，Transformer［1］逐漸成為了自然語言處理中的主流結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提升Transformer的性能，一些工作通過引入額外的結(jié)構(gòu)或知識來提升Transformer在特定任務(wù)上的表現(xiàn)。盡管如此，過參數(shù)化（over-parameterization）和過擬合（overfitting）一直是Transformer中的一個(gè)顯著問題。作為一種正則化技術(shù)，Dropout常被用來緩解模型的過擬合問題［2］。和引入額外結(jié)構(gòu)或知識的工作相比，dropout的一個(gè)優(yōu)勢是不需要額外的計(jì)算開銷和外部資源。因此，本文的出發(fā)點(diǎn)在于，能否通過融合不同的dropout技術(shù)來進(jìn)一步提升Transformer的性能甚至達(dá)到state-of-the-art效果？

為此，我們提出UniDrop技術(shù)，從細(xì)粒度到粗粒度將三種不同層次的dropout整合到Transformer結(jié)構(gòu)中，它們分別為feature dropout、structure dropout和data dropout 。Feature dropout （FD），即傳統(tǒng)的dropout技術(shù)［2］，通常應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)的隱層神經(jīng)元上。Structure dropout （SD）是一種較粗粒度的dropout，旨在隨機(jī)drop模型中的某些子結(jié)構(gòu)或組件。Data dropout （DD）作為一種數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，通常用來隨機(jī)刪除輸入sequence的某些tokens。在UniDrop中，我們從理論上分析了這三層dropout技術(shù)在Transformer正則化過程中起到了不同的作用，并在8個(gè)機(jī)器翻譯任務(wù)上和8個(gè)文本分類任務(wù)上驗(yàn)證了UniDrop的有效性。

02UniDrop

2.1Transformer結(jié)構(gòu)

UniDrop旨在提升Transformer的性能。在UniDrop中，feature dropout和structure dropout的使用與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，我們簡單回顧Transformer的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)Transformer結(jié)構(gòu)和Feature Dropout

如圖1（a）所示，Transformer由多個(gè)相同的block堆疊而成，每個(gè)block包含兩個(gè)sub-layer，分別為multi-head self-attention layer和position-wise fully connected feed-forward layer，每個(gè)sub-layer后都使用了殘差連接和層正則（Add&Norm）。

Multi-head Attention：Multi-head attention sub-layer包含多個(gè)并行的attention head，每個(gè)head通過帶縮放的點(diǎn)乘attention將query Q和鍵值對K、V映射乘輸出，如下式所示：

多個(gè)head的輸出最終被拼接在一起并做線性映射作為最終的multi-head attention輸出。

Position-wise Feed-Forward：這一層主要包含兩個(gè)線性映射和一個(gè)ReLU激活函數(shù)：

2.2Feature Dropout

如前所述，F(xiàn)eature Dropout （FD）即傳統(tǒng)的dropout技術(shù)［2］，可以以一定的概率隨機(jī)抑制網(wǎng)絡(luò)中的某些神經(jīng)元。實(shí)際上，在標(biāo)準(zhǔn)的Transformer實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)sub-layer后都默認(rèn)配置了dropout。除此之外，Transformer也在multi-head attention和feed-forward network的激活函數(shù)層添加了dropout，本文將探索它們對Transformer性能的影響：

FD-1 （attention dropout）：根據(jù)公式（1），在multi-head attention中，我們可以獲得attention權(quán)重A=QKT，feature dropout FD-1被應(yīng)用在attention權(quán)重A上。

FD-2 （activation dropout）：FD-2被應(yīng)用在feed-forward network sub-layer兩層線性變換間的激活函數(shù)上。

除了上面已有的feature dropout，我們在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Transformer仍有過擬合的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們額外提出兩種feature dropout添加到Transformer結(jié)構(gòu)中：

FD-3 （query， key， value dropout）：FD-1直接應(yīng)用在attention權(quán)重A上，表示token i和token j之間的connection有可能被drop，一個(gè)更大的FD-1值意味著更大的概率失去sequence中一些關(guān)鍵的connection。為了緩解這種風(fēng)險(xiǎn)，我們在attention之前的query Q、key K和value V上分別添加了dropout。

FD-4 （output dropout）：我們在softmax分類的線性映射前也添加了dropout。具體而言，對sequence2sequence任務(wù)，我們將FD-4添加到Transformer decoder中，對于文本分類任務(wù)我們將FD-4添加到Transformer encoder中。

2.3Structure Dropout

為了提升Transformer的泛化性，之前的工作已經(jīng)提出了兩種Structure Dropout （SD），分別是LayerDrop［3］和DropHead［4］。DropHead通過隨機(jī)舍棄一些attention head，從而防止multi-head attention機(jī)制被某些head主導(dǎo)，最終提升multi-head attention的泛化性。相比之下，LayerDrop是一種更高級別的結(jié)構(gòu)dropout，它能隨機(jī)舍棄Transformer的某些層，從而直接降低Transformer中的模型大小。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)分析，我們將LayerDrop添加到我們的UniDrop中。

2.4Data Dropout

Data Dropout （DD）以一定的概率p隨機(jī)刪除輸入序列中tokens。然而，直接應(yīng)用data dropout很難保留原始高質(zhì)量的樣本，對于一個(gè)長度為n的sequence，我們保留住原始sequence的概率為（1-p）n，當(dāng)n較大時(shí)，這個(gè)概率將會非常低。失去原始高質(zhì)量樣本對很多任務(wù)都是不利的。為了保留原始高質(zhì)量的樣本，同時(shí)又能利用data dropout進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，我們在UniDrop中提出了一個(gè)2-stage data dropout方案。對于給定的sequence，我們以一定的概率 pk保留原始的樣本，當(dāng)data dropout被應(yīng)用時(shí)（概率為1- pk），我們以預(yù)定的概率p來隨機(jī)刪除序列中的tokens。

2.5UniDrop整合

最終，我們將上面三種不同粒度的dropout技術(shù)集成到我們的UniDrop中，并從理論上分析了feature dropout、structure dropout、data dropout能夠正則Transformer的不同項(xiàng)并且不能相互取代，具體分析可參考論文。Figure 2是UniDrop的簡單示例。

圖2：UniDrop示例

03實(shí)驗(yàn)與分析

我們在序列生成（機(jī)器翻譯）和文本分類兩個(gè)任務(wù)上來驗(yàn)證UniDrop的性能。

3.1神經(jīng)機(jī)器翻譯

我們在IWSLT14數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了機(jī)器翻譯實(shí)驗(yàn)，共4個(gè)語言對，8個(gè)翻譯任務(wù)，baseline為標(biāo)準(zhǔn)的Transformer結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1：不同模型在IWSLT14翻譯任務(wù)上的結(jié)果

可以看到，相比于標(biāo)準(zhǔn)的Transformer，我們的UniDrop在所有任務(wù)翻譯任務(wù)上都取得了一致且顯著的提升。為了驗(yàn)證UniDrop中每種dropout的作用，我們進(jìn)行了ablation study實(shí)驗(yàn)，也在標(biāo)準(zhǔn)Transformer添加單一的dropout去驗(yàn)證它們的性能。從結(jié)果看，F(xiàn)D、SD和DD都能在一定程度上提升Transformer的性能，并能夠協(xié)同工作，最終進(jìn)一步提升Transformer的泛化性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證UniDrop的優(yōu)越性，我們也在廣泛被認(rèn)可的benchmarkIWSLT14 De→En翻譯任務(wù)上和其他系統(tǒng)進(jìn)行了對比。這些系統(tǒng)從不同的方面提升機(jī)器翻譯，如訓(xùn)練算法設(shè)計(jì)（Adversarial MLE）、模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（DynamicConv）、引入外部知識（BERT-fused NMT）等。可以看到，我們的Transformer+UniDrop仍然顯著超過了其他系統(tǒng)。

表2：不同系統(tǒng)在IWSLT14 De→En翻譯任務(wù)上的表現(xiàn)

3.2文本分類

對于文本分類任務(wù)，我們以RoBERTaBASE作為backbone，在4個(gè)GLUE數(shù)據(jù)集上和4個(gè)傳統(tǒng)的文本分類數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3和表4所示：

表3：不同模型在GLUE tasks （dev set）上的準(zhǔn)確率

表4：不同模型在傳統(tǒng)文本分類任務(wù)上的準(zhǔn)確率

可以看到，作為一個(gè)強(qiáng)大的預(yù)訓(xùn)練模型，RoBERTaBASE顯著超過了其他方法。即使如此，UniDrop仍然能夠進(jìn)一步提升RoBERTaBASE的性能，這進(jìn)一步驗(yàn)證了UniDrop對Transformer模型的有效性。

3.3分析

為了展現(xiàn)UniDrop能夠有效防止Transformer過擬合，我們畫出了不同模型在IWSLT14 De→En翻譯驗(yàn)證集上的loss曲線，如圖3所示：

圖3：不同模型在IWSLT14 De→En翻譯上的dev loss

可以看到，標(biāo)準(zhǔn)的Transformer結(jié)構(gòu)隨著訓(xùn)練輪數(shù)的增加，很容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。相比之下，F(xiàn)D、SD、DD都在一定程度上緩解了Transformer的過擬合問題。在所有對比模型中，我們的UniDrop取得了最低的dev loss，并且dev loss能持續(xù)下降，直到訓(xùn)練結(jié)束。綜合來看，UniDrop在預(yù)防Transformer過擬合問題上取得了最好的表現(xiàn)。

此外，我們也進(jìn)行了細(xì)粒度的ablation study實(shí)驗(yàn)來探究不同的feature dropout以及我們2-stage data dropout對Transformer性能的影響，結(jié)果如表5所示：

表5：Ablation Study

可以看到，F(xiàn)D-3比FD-1帶來更多的提升，這也驗(yàn)證了我們之前的分析，僅使用FD-1對提升multi-head attention的泛化性來說是不夠的。另外，表5表明我們提出的2-stage data dropout策略對提升性能是有幫助的，這體現(xiàn)了保留原始高質(zhì)量樣本的必要性。

04總結(jié)與展望

過擬合是Transformer結(jié)構(gòu)中一個(gè)常見的問題，dropout技術(shù)常被用來防止模型過擬合。本文中，我們提出了一種集成的dropout技術(shù)UniDrop，它由細(xì)粒度到粗粒度，將三種不同類型的dropout（FD、SD、DD）融合到Transformer結(jié)構(gòu)中。我們從理論上分析UniDrop中的三種dropout技術(shù)能夠從不同的方面防止Transformer過擬合，在機(jī)器翻譯和文本分類任務(wù)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也體現(xiàn)了UniDrop的有效性和優(yōu)越性，更重要的，它不需要額外的計(jì)算開銷和外部資源。更多的細(xì)節(jié)、結(jié)果以及分析請參考原論文。
編輯：lyn