NLP領(lǐng)域取得最重大突破！BERT模型開啟了NLP的新時代！

今天，NLP領(lǐng)域取得最重大突破！谷歌AI團(tuán)隊新發(fā)布的BERT模型，在機(jī)器閱讀理解頂級水平測試SQuAD1.1中表現(xiàn)出驚人的成績：全部兩個衡量指標(biāo)上全面超越人類，并且還在11種不同NLP測試中創(chuàng)出最佳成績。毋庸置疑，BERT模型開啟了NLP的新時代！

今天請記住BERT模型這個名字。

谷歌AI團(tuán)隊新發(fā)布的BERT模型，在機(jī)器閱讀理解頂級水平測試SQuAD1.1中表現(xiàn)出驚人的成績：全部兩個衡量指標(biāo)上全面超越人類！并且還在11種不同NLP測試中創(chuàng)出最佳成績，包括將GLUE基準(zhǔn)推至80.4％（絕對改進(jìn)7.6％），MultiNLI準(zhǔn)確度達(dá)到86.7% （絕對改進(jìn)率5.6％）等。

谷歌團(tuán)隊的Thang Luong直接定義：BERT模型開啟了NLP的新時代！

本文從論文解讀、BERT模型的成績以及業(yè)界的評價三方面做介紹。

硬核閱讀：認(rèn)識BERT的新語言表示模型

首先來看下谷歌AI團(tuán)隊做的這篇論文。

論文地址：

https://arxiv.org/abs/1810.04805

BERT的新語言表示模型，它代表Transformer的雙向編碼器表示。與最近的其他語言表示模型不同，BERT旨在通過聯(lián)合調(diào)節(jié)所有層中的上下文來預(yù)先訓(xùn)練深度雙向表示。因此，預(yù)訓(xùn)練的BERT表示可以通過一個額外的輸出層進(jìn)行微調(diào)，適用于廣泛任務(wù)的最先進(jìn)模型的構(gòu)建，比如問答任務(wù)和語言推理，無需針對具體任務(wù)做大幅架構(gòu)修改。

論文作者認(rèn)為現(xiàn)有的技術(shù)嚴(yán)重制約了預(yù)訓(xùn)練表示的能力。其主要局限在于標(biāo)準(zhǔn)語言模型是單向的，這使得在模型的預(yù)訓(xùn)練中可以使用的架構(gòu)類型很有限。

在論文中，作者通過提出BERT：即Transformer的雙向編碼表示來改進(jìn)基于架構(gòu)微調(diào)的方法。

BERT 提出一種新的預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)：遮蔽語言模型（masked language model，MLM），來克服上文提到的單向性局限。MLM 的靈感來自 Cloze 任務(wù)（Taylor, 1953）。MLM 隨機(jī)遮蔽模型輸入中的一些 token，目標(biāo)在于僅基于遮蔽詞的語境來預(yù)測其原始詞匯 id。

與從左到右的語言模型預(yù)訓(xùn)練不同，MLM 目標(biāo)允許表征融合左右兩側(cè)的語境，從而預(yù)訓(xùn)練一個深度雙向 Transformer。除了遮蔽語言模型之外，本文作者還引入了一個“下一句預(yù)測”（next sentence prediction）任務(wù)，可以和MLM共同預(yù)訓(xùn)練文本對的表示。

論文的核心：詳解BERT模型架構(gòu)

本節(jié)介紹BERT模型架構(gòu)和具體實現(xiàn)，并介紹預(yù)訓(xùn)練任務(wù)，這是這篇論文的核心創(chuàng)新。

模型架構(gòu)

BERT的模型架構(gòu)是基于Vaswani et al. (2017) 中描述的原始實現(xiàn)multi-layer bidirectional Transformer編碼器，并在tensor2tensor庫中發(fā)布。由于Transformer的使用最近變得無處不在，論文中的實現(xiàn)與原始實現(xiàn)完全相同，因此這里將省略對模型結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。

在這項工作中，論文將層數(shù)（即Transformer blocks）表示為L，將隱藏大小表示為H，將self-attention heads的數(shù)量表示為A。在所有情況下，將feed-forward/filter 的大小設(shè)置為 4H，即H = 768時為3072，H = 1024時為4096。論文主要報告了兩種模型大小的結(jié)果：

: L=12, H=768, A=12, Total Parameters=110M

: L=24, H=1024, A=16, Total Parameters=340M

為了進(jìn)行比較，論文選擇，它與OpenAI GPT具有相同的模型大小。然而，重要的是，BERT Transformer 使用雙向self-attention，而GPT Transformer 使用受限制的self-attention，其中每個token只能處理其左側(cè)的上下文。研究團(tuán)隊注意到，在文獻(xiàn)中，雙向 Transformer 通常被稱為“Transformer encoder”，而左側(cè)上下文被稱為“Transformer decoder”，因為它可以用于文本生成。BERT，OpenAI GPT和ELMo之間的比較如圖1所示。

圖1：預(yù)訓(xùn)練模型架構(gòu)的差異。BERT使用雙向Transformer。OpenAI GPT使用從左到右的Transformer。ELMo使用經(jīng)過獨立訓(xùn)練的從左到右和從右到左LSTM的串聯(lián)來生成下游任務(wù)的特征。三個模型中，只有BERT表示在所有層中共同依賴于左右上下文。

輸入表示（input representation）

論文的輸入表示（input representation）能夠在一個token序列中明確地表示單個文本句子或一對文本句子（例如， [Question, Answer]）。對于給定token，其輸入表示通過對相應(yīng)的token、segment和position embeddings進(jìn)行求和來構(gòu)造。圖2是輸入表示的直觀表示：

圖2：BERT輸入表示。輸入嵌入是token embeddings, segmentation embeddings 和position embeddings 的總和。

具體如下：

使用WordPiece嵌入（Wu et al., 2016）和30,000個token的詞匯表。用##表示分詞。

使用學(xué)習(xí)的positional embeddings，支持的序列長度最多為512個token。

每個序列的第一個token始終是特殊分類嵌入（[CLS]）。對應(yīng)于該token的最終隱藏狀態(tài)（即，Transformer的輸出）被用作分類任務(wù)的聚合序列表示。對于非分類任務(wù)，將忽略此向量。

句子對被打包成一個序列。以兩種方式區(qū)分句子。首先，用特殊標(biāo)記（[SEP]）將它們分開。其次，添加一個learned sentence A嵌入到第一個句子的每個token中，一個sentence B嵌入到第二個句子的每個token中。

對于單個句子輸入，只使用 sentence A嵌入。

關(guān)鍵創(chuàng)新：預(yù)訓(xùn)練任務(wù)

與Peters et al. (2018) 和 Radford et al. (2018)不同，論文不使用傳統(tǒng)的從左到右或從右到左的語言模型來預(yù)訓(xùn)練BERT。相反，使用兩個新的無監(jiān)督預(yù)測任務(wù)對BERT進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。

任務(wù)1: Masked LM

從直覺上看，研究團(tuán)隊有理由相信，深度雙向模型比left-to-right 模型或left-to-right and right-to-left模型的淺層連接更強(qiáng)大。遺憾的是，標(biāo)準(zhǔn)條件語言模型只能從左到右或從右到左進(jìn)行訓(xùn)練，因為雙向條件作用將允許每個單詞在多層上下文中間接地“see itself”。

為了訓(xùn)練一個深度雙向表示（deep bidirectional representation），研究團(tuán)隊采用了一種簡單的方法，即隨機(jī)屏蔽（masking）部分輸入token，然后只預(yù)測那些被屏蔽的token。論文將這個過程稱為“masked LM”(MLM)，盡管在文獻(xiàn)中它經(jīng)常被稱為Cloze任務(wù)(Taylor, 1953)。

在這個例子中，與masked token對應(yīng)的最終隱藏向量被輸入到詞匯表上的輸出softmax中，就像在標(biāo)準(zhǔn)LM中一樣。在團(tuán)隊所有實驗中，隨機(jī)地屏蔽了每個序列中15%的WordPiece token。與去噪的自動編碼器（Vincent et al.， 2008）相反，只預(yù)測masked words而不是重建整個輸入。

雖然這確實能讓團(tuán)隊獲得雙向預(yù)訓(xùn)練模型，但這種方法有兩個缺點。首先，預(yù)訓(xùn)練和finetuning之間不匹配，因為在finetuning期間從未看到[MASK]token。為了解決這個問題，團(tuán)隊并不總是用實際的[MASK]token替換被“masked”的詞匯。相反，訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成器隨機(jī)選擇15％的token。例如在這個句子“my dog is hairy”中，它選擇的token是“hairy”。然后，執(zhí)行以下過程：

數(shù)據(jù)生成器將執(zhí)行以下操作，而不是始終用[MASK]替換所選單詞：

80％的時間：用[MASK]標(biāo)記替換單詞，例如，my dog is hairy → my dog is [MASK]

10％的時間：用一個隨機(jī)的單詞替換該單詞，例如，my dog is hairy → my dog is apple

10％的時間：保持單詞不變，例如，my dog is hairy → my dog is hairy. 這樣做的目的是將表示偏向于實際觀察到的單詞。

Transformer encoder不知道它將被要求預(yù)測哪些單詞或哪些單詞已被隨機(jī)單詞替換，因此它被迫保持每個輸入token的分布式上下文表示。此外，因為隨機(jī)替換只發(fā)生在所有token的1.5％（即15％的10％），這似乎不會損害模型的語言理解能力。

使用MLM的第二個缺點是每個batch只預(yù)測了15％的token，這表明模型可能需要更多的預(yù)訓(xùn)練步驟才能收斂。團(tuán)隊證明MLM的收斂速度略慢于 left-to-right的模型（預(yù)測每個token），但MLM模型在實驗上獲得的提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過增加的訓(xùn)練成本。

任務(wù)2：下一句預(yù)測

許多重要的下游任務(wù)，如問答（QA）和自然語言推理（NLI）都是基于理解兩個句子之間的關(guān)系，這并沒有通過語言建模直接獲得。

在為了訓(xùn)練一個理解句子的模型關(guān)系，預(yù)先訓(xùn)練一個二進(jìn)制化的下一句測任務(wù)，這一任務(wù)可以從任何單語語料庫中生成。具體地說，當(dāng)選擇句子A和B作為預(yù)訓(xùn)練樣本時，B有50％的可能是A的下一個句子，也有50％的可能是來自語料庫的隨機(jī)句子。例如：

Input = [CLS] the man went to [MASK] store [SEP]

he bought a gallon [MASK] milk [SEP]

Label = IsNext

Input = [CLS] the man [MASK] to the store [SEP]

penguin [MASK] are flight ##less birds [SEP]

Label = NotNext

團(tuán)隊完全隨機(jī)地選擇了NotNext語句，最終的預(yù)訓(xùn)練模型在此任務(wù)上實現(xiàn)了97％-98％的準(zhǔn)確率。

實驗結(jié)果

如前文所述，BERT在11項NLP任務(wù)中刷新了性能表現(xiàn)記錄！在這一節(jié)中，團(tuán)隊直觀呈現(xiàn)BERT在這些任務(wù)的實驗結(jié)果，具體的實驗設(shè)置和比較請閱讀原論文。

圖3：我們的面向特定任務(wù)的模型是將BERT與一個額外的輸出層結(jié)合而形成的，因此需要從頭開始學(xué)習(xí)最小數(shù)量的參數(shù)。在這些任務(wù)中，（a）和（b）是序列級任務(wù)，而（c）和（d）是token級任務(wù)。在圖中，E表示輸入嵌入，Ti表示tokeni的上下文表示，[CLS]是用于分類輸出的特殊符號，[SEP]是用于分隔非連續(xù)token序列的特殊符號。

圖4：GLUE測試結(jié)果，由GLUE評估服務(wù)器給出。每個任務(wù)下方的數(shù)字表示訓(xùn)練樣例的數(shù)量?！捌骄币粰谥械臄?shù)據(jù)與GLUE官方評分稍有不同，因為我們排除了有問題的WNLI集。BERT 和OpenAI GPT的結(jié)果是單模型、單任務(wù)下的數(shù)據(jù)。所有結(jié)果來自https://gluebenchmark.com/leaderboard和https://blog.openai.com/language-unsupervised/

圖5：SQuAD 結(jié)果。BERT 集成是使用不同預(yù)訓(xùn)練檢查點和微調(diào)種子（fine-tuning seed）的 7x 系統(tǒng)。

圖6：CoNLL-2003 命名實體識別結(jié)果。超參數(shù)由開發(fā)集選擇，得出的開發(fā)和測試分?jǐn)?shù)是使用這些超參數(shù)進(jìn)行五次隨機(jī)重啟的平均值。

超過人類表現(xiàn)，BERT刷新了11項NLP任務(wù)的性能記錄

論文的主要貢獻(xiàn)在于：

證明了雙向預(yù)訓(xùn)練對語言表示的重要性。與之前使用的單向語言模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練不同，BERT使用遮蔽語言模型來實現(xiàn)預(yù)訓(xùn)練的深度雙向表示。

論文表明，預(yù)先訓(xùn)練的表示免去了許多工程任務(wù)需要針對特定任務(wù)修改體系架構(gòu)的需求。 BERT是第一個基于微調(diào)的表示模型，它在大量的句子級和token級任務(wù)上實現(xiàn)了最先進(jìn)的性能，強(qiáng)于許多面向特定任務(wù)體系架構(gòu)的系統(tǒng)。

BERT刷新了11項NLP任務(wù)的性能記錄。本文還報告了 BERT 的模型簡化研究（ablation study），表明模型的雙向性是一項重要的新成果。相關(guān)代碼和預(yù)先訓(xùn)練的模型將會公布在goo.gl/language/bert上。

BERT目前已經(jīng)刷新的11項自然語言處理任務(wù)的最新記錄包括：將GLUE基準(zhǔn)推至80.4％（絕對改進(jìn)7.6％），MultiNLI準(zhǔn)確度達(dá)到86.7% （絕對改進(jìn)率5.6％），將SQuAD v1.1問答測試F1得分紀(jì)錄刷新為93.2分（絕對提升1.5分），超過人類表現(xiàn)2.0分。

BERT模型重要意義：宣告NLP范式的改變

北京航空航天大學(xué)計算機(jī)專業(yè)博士吳俁在知乎上寫道：BERT模型的地位類似于ResNet在圖像，這是里程碑式的工作，宣告著NLP范式的改變。以后研究工作估計很多都要使用他初始化，就像之前大家使用word2vec一樣自然。

BERT一出，那幾個他論文里做實驗的數(shù)據(jù)集全被轟平了，大家洗洗睡了。心疼swag一秒鐘，出現(xiàn)3月，第一篇做這個數(shù)據(jù)集的算法，在超了baseline 20多點的同時也超過人了。

通過BERT模型，吳俁有三個認(rèn)識：

1、Jacob在細(xì)節(jié)上是一等一的高手

這個模型的雙向和Elmo不一樣，大部分人對論文作者之一Jacob的雙向在novelty上的contribution 的大小有誤解，我覺得這個細(xì)節(jié)可能是他比Elmo顯著提升的原因。Elmo是拼一個左到右和一個右到左，他這個是訓(xùn)練中直接開一個窗口，用了個有順序的cbow。

2、Reddit對跑一次BERT的價格討論

For TPU pods:

4 TPUs * ~$2/h (preemptible) * 24 h/day * 4 days = $768 (base model)

16 TPUs = ~$3k (large model)

For TPU:

16 tpus * $8/hr * 24 h/day * 4 days = 12k

64 tpus * $8/hr * 24 h/day * 4 days = 50k

For GPU:

"BERT-Large is 24-layer, 1024-hidden and was trained for 40 epochs over a 3.3 billion word corpus. So maybe 1 year to train on 8 P100s? "

3、不幸的是，基本無法復(fù)現(xiàn)，所以模型和數(shù)據(jù)誰更有用也不好說。

BERT的成功也說明，好的深度學(xué)習(xí)研究工作的三大條件: 數(shù)據(jù)，計算資源，工程技能點很高的研究員(Jacob在微軟時候，就以單槍匹馬搭大系統(tǒng)，而中外聞名)。