谷歌BERT模型的主體結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新點介紹 雙向語言模型的引入

近日，谷歌AI團(tuán)隊新發(fā)布的BERT模型，在NLP業(yè)內(nèi)引起巨大反響，認(rèn)為是NLP領(lǐng)域里程碑式的進(jìn)步。BERT的創(chuàng)新點在哪里？潘晟鋒對這篇論文進(jìn)行了深度解讀。

最近谷歌研究人員通過新的BERT模型在11項NLP任務(wù)中奪得STOA結(jié)果，這在自然語言處理學(xué)界以及工業(yè)界都引起了不小的熱議。

作者通過在33億文本的語料上訓(xùn)練語言模型，再分別在不同的下游任務(wù)上微調(diào)，這樣的模型在不同的任務(wù)均得到了目前為止最好的結(jié)果，并且有一些結(jié)果相比此前的最佳成績得到了幅度不小的提升。

作者的這一研究其實是今年深度學(xué)習(xí)在自然語言處理中一個新熱點方向的延續(xù)，故事還得從更早一點說起。

BERT的“前任”們

早在2015年的時候，微軟研究院的何凱明和他的同事們發(fā)表了殘差網(wǎng)絡(luò)的論文，第一次通過殘差的方式將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)到了100層以上，并在圖像識別的任務(wù)上刷新了當(dāng)時的最高紀(jì)錄。自那以后起，隨著網(wǎng)絡(luò)不斷地加深，效果也在不斷提升。然而大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來的大型網(wǎng)絡(luò)雖然效果更好，但隨著網(wǎng)絡(luò)的加深以及數(shù)據(jù)集的不斷擴(kuò)大，完全重新訓(xùn)練一個模型所需要的成本也在不斷地增加。

因此在計算機(jī)視覺處理中，人們越來越多地采用預(yù)訓(xùn)練好的大型網(wǎng)絡(luò)來提取特征，然后再進(jìn)行后續(xù)任務(wù)。目前這種處理方式已經(jīng)是圖像處理中很常見的做法了。

相比之下，自然語言處理目前通常會使用預(yù)訓(xùn)練的詞向量來進(jìn)行后續(xù)任務(wù)。但詞向量是通過淺層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無監(jiān)督訓(xùn)練，雖然在詞的級別上有著不錯的特性，但卻缺少對連續(xù)文本的內(nèi)在聯(lián)系和語言結(jié)構(gòu)的表達(dá)能力。因此大家也希望能像圖像領(lǐng)域那樣，通過大量數(shù)據(jù)來預(yù)訓(xùn)練一個大型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后用它來對文本提取特征去做后續(xù)的任務(wù)，以期望能得到更好的效果。其實這一方向的研究一直在持續(xù)，直到今年的早些時候AllenAI提出的[ELMo](https://arxiv.org/pdf/1802.05365.pdf)由于其在后續(xù)任務(wù)上的優(yōu)異表現(xiàn)獲得了不小的關(guān)注。

在ELMo獲得成功以后不久FastAI就推出了[ULMFiT](https://arxiv.org/abs/1801.06146)，其大體思路是在微調(diào)時對每一層設(shè)置不同的學(xué)習(xí)率。此后OpenAI又提出了[GPT](https://blog.openai.com/language-unsupervised/)。

從上面提及的這些論文的結(jié)果以及學(xué)界和工業(yè)界的反饋來看，這種使用大量的語料進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后再在預(yù)訓(xùn)練好的模型上進(jìn)行后續(xù)任務(wù)訓(xùn)練，雖然訓(xùn)練方式各有不同，但在后續(xù)任務(wù)都有不同程度的提高。

而谷歌提出的BERT就是在OpenAI的GPT的基礎(chǔ)上對預(yù)訓(xùn)練的目標(biāo)進(jìn)行了修改，并用更大的模型以及更多的數(shù)據(jù)去進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，從而得到了目前為止最好的效果。

Transformer的編碼器結(jié)構(gòu)

BERT的主體結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新點

BERT模型沿襲了GPT模型的結(jié)構(gòu)，采用[Transfomer](https://arxiv.org/abs/1706.03762)的編碼器作為主體模型結(jié)構(gòu)。Transformer舍棄了RNN的循環(huán)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完全基于注意力機(jī)制來對一段文本進(jìn)行建模。

Transformer所使用的注意力機(jī)制的核心思想是去計算一句話中的每個詞對于這句話中所有詞的相互關(guān)系，然后認(rèn)為這些詞與詞之間的相互關(guān)系在一定程度上反應(yīng)了這句話中不同詞之間的關(guān)聯(lián)性以及重要程度。因此再利用這些相互關(guān)系來調(diào)整每個詞的重要性（權(quán)重）就可以獲得每個詞新的表達(dá)。這個新的表征不但蘊(yùn)含了該詞本身，還蘊(yùn)含了其他詞與這個詞的關(guān)系，因此和單純的詞向量相比是一個更加全局的表達(dá)。

Transformer通過對輸入的文本不斷進(jìn)行這樣的注意力機(jī)制層和普通的非線性層交疊來得到最終的文本表達(dá)。

Transformer的注意力層得到的詞-詞之間關(guān)系

GPT則利用了Transformer的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行單向語言模型的訓(xùn)練。所謂的語言模型其實是自然語言處理中的一種基礎(chǔ)任務(wù)，其目標(biāo)是給定一個序列文本，預(yù)測下一個位置上會出現(xiàn)的詞。

模型學(xué)習(xí)這樣的任務(wù)過程和我們?nèi)藢W(xué)習(xí)一門語言的過程有些類似。我們學(xué)習(xí)語言的時候會不斷地練習(xí)怎么選用合適的詞來造句，對于模型來說也這樣。例如：

> 今天 天氣 不錯， 我們 去 公園 玩 吧。

這句話，單向語言模型在學(xué)習(xí)的時候是從左向右進(jìn)行學(xué)習(xí)的，先給模型看到“今天 天氣”兩個詞，然后告訴模型下一個要填的詞是“不錯”。然而單向語言模型有一個欠缺，就是模型學(xué)習(xí)的時候總是按照句子的一個方向去學(xué)的，因此模型學(xué)習(xí)每個詞的時候只看到了上文，并沒有看到下文。更加合理的方式應(yīng)該是讓模型同時通過上下文去學(xué)習(xí)，這個過程有點類似于完形填空題。例如：

>今天 天氣 { }， 我們 去 公園 玩 吧。

通過這樣的學(xué)習(xí)，模型能夠更好地把握“不錯”這個詞所出現(xiàn)的上下文語境。

而BERT對GPT的第一個改進(jìn)就是引入了雙向的語言模型任務(wù)。

此前其實也有一些研究在語言模型這個任務(wù)上使用了雙向的方法，例如在ELMo中是通過雙向的兩層RNN結(jié)構(gòu)對兩個方向進(jìn)行建模，但兩個方向的loss計算相互獨(dú)立。

而BERT的作者指出這種兩個方向相互獨(dú)立或只有單層的雙向編碼可能沒有發(fā)揮最好的效果，我們可能不僅需要雙向編碼，還應(yīng)該要加深網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)。但加深雙向編碼網(wǎng)絡(luò)卻會引入一個問題，導(dǎo)致模型最終可以間接地“窺探”到需要預(yù)測的詞。這個“窺探”的過程可以用下面的圖來表示：

從圖中可以看到經(jīng)過兩層的雙向操作，每個位置上的輸出就已經(jīng)帶有了原本這個位置上的詞的信息了。這樣的“窺探”會導(dǎo)致模型預(yù)測詞的任務(wù)變得失去意義，因為模型已經(jīng)看到每個位置上是什么詞了。

為了解決這個問題，我們可以從預(yù)訓(xùn)練的目標(biāo)入手。我們想要的其實是讓模型學(xué)會某個詞適合出現(xiàn)在怎樣的上下文語境當(dāng)中；反過來說，如果給定了某個上下文語境，我們希望模型能夠知道這個地方適合填入怎樣的詞。從這一點出發(fā)，其實我們可以直接去掉這個詞，只讓模型看上下文，然后來預(yù)測這個詞。但這樣做會丟掉這個詞在文本中的位置信息，那么還有一種方式是在這個詞的位置上隨機(jī)地輸入某一個詞，但如果每次都隨機(jī)輸入可能會讓模型難以收斂。

BERT的作者提出了采用MaskLM的方式來訓(xùn)練語言模型。

通俗地說就是在輸入一句話的時候，隨機(jī)地選一些要預(yù)測的詞，然后用一個特殊的符號來代替它們。盡管模型最終還是會看到所有位置上的輸入信息，但由于需要預(yù)測的詞已經(jīng)被特殊符號代替，所以模型無法事先知道這些位置上是什么詞，這樣就可以讓模型根據(jù)所給的標(biāo)簽去學(xué)習(xí)這些地方該填的詞了。

然而這里還有一個問題，就是我們在預(yù)訓(xùn)練過程中所使用的這個特殊符號，在后續(xù)的任務(wù)中是不會出現(xiàn)的。

因此，為了和后續(xù)任務(wù)保持一致，作者按一定的比例在需要預(yù)測的詞位置上輸入原詞或者輸入某個隨機(jī)的詞。當(dāng)然，由于一次輸入的文本序列中只有部分的詞被用來進(jìn)行訓(xùn)練，因此BERT在效率上會低于普通的語言模型，作者也指出BERT的收斂需要更多的訓(xùn)練步數(shù)。

BERT另外一個創(chuàng)新是在雙向語言模型的基礎(chǔ)上額外增加了一個句子級別的連續(xù)性預(yù)測任務(wù)。這個任務(wù)的目標(biāo)也很簡單，就是預(yù)測輸入BERT的兩端文本是否為連續(xù)的文本，作者指出引入這個任務(wù)可以更好地讓模型學(xué)到連續(xù)的文本片段之間的關(guān)系。在訓(xùn)練的時候，輸入模型的第二個片段會以50%的概率從全部文本中隨機(jī)選取，剩下50%的概率選取第一個片段的后續(xù)的文本。

除了模型結(jié)構(gòu)，模型大小和數(shù)據(jù)量都很重要

以上的描述涵蓋了BERT在模型結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練目標(biāo)上的主要創(chuàng)新點，而BERT的成功還有一個很大的原因來自于模型的體量以及訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量。

BERT訓(xùn)練數(shù)據(jù)采用了英文的開源語料BooksCropus 以及英文維基百科數(shù)據(jù)，一共有33億個詞。同時BERT模型的標(biāo)準(zhǔn)版本有1億的參數(shù)量，與GPT持平，而BERT的大號版本有3億多參數(shù)量，這應(yīng)該是目前自然語言處理中最大的預(yù)訓(xùn)練模型了。

當(dāng)然，這么大的模型和這么多的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練的代價也是不菲的。谷歌用了16個自己的TPU集群（一共64塊TPU）來訓(xùn)練大號版本的BERT，一共花了4天的時間。對于是否可以復(fù)現(xiàn)預(yù)訓(xùn)練，作者在[Reddit]( https://www.reddit.com/r/MachineLearning/comments/9nfqxz/r_bert_pretraining_of_deep_bidirectional/?utm_campaign=NLP%20News&utm_medium=email&utm_source=Revue%20newsletter)上有一個大致的回復(fù)，指出OpenAI當(dāng)時訓(xùn)練GPT用了將近1個月的時間，而如果用同等的硬件條件來訓(xùn)練BERT估計需要1年的時間。不過他們會將已經(jīng)訓(xùn)練好的模型和代碼開源，方便大家訓(xùn)練好的模型上進(jìn)行后續(xù)任務(wù)。

雖然訓(xùn)練的代價很大，但是這個研究還是帶來了一些思考和啟發(fā)。例如雙向語言模型的運(yùn)用，多任務(wù)對預(yù)訓(xùn)練的幫助以及模型深度帶來的收益。相信在未來的一段時間，自然語言處理中預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語言模型會得到更多的關(guān)注和運(yùn)用。