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通用预训练语言模型GLM：所有任务都是生成任务

标签：人工智能, NLP, 预训练语言模型

1、摘要

  随着NLP技术的发展，越来越多的新的预训练架构不断刷榜，包括自回归模型(例如GPT)、自动编码模型(例如 BERT)和编码器-解码器模型(例如 T5)。自然语言处理任务在本质可以分为分类、无条件生成和条件生成。但是，目前没有一个预训练框架能够很好地完成所有任务。而在本文中，提出了一种通用语言模型(General Language Model，GLM)来解决这个问题。GLM模型结构有三个主要优点: (1)用一个模型就能在它分类、无条件生成和条件生成任务上表现良好; (2)改进了预训练-微调一致性，在分类上优于类 bert 模型; (3)可以很好地处理可变长度生成。最后，GLM使用了1.25倍BertLarge参数就在GLU的生成任务上取得softa。

2、创新点

  • 将单双向注意力同时引入模型
  • 下游finetune和预训练保持完全一致性
  • 预训练引入变长mask

3、GLM

框架

如下图b所示，在GLM模型中，将输入[x1, x2, x3, x4 ,x5, x6]分成了2个部分： Part A：[x1, x2, M, x4, M] ，和Bert的mask输入一样。只是mask可能是一个token，也可能是一个span。 Part B：[x5, x6, x3]，注意，Part B并不一定是x3，x5，x6这样按原文顺序来的。论文每个句子采用了随机打乱的策略，然后选择了一种组合。

模型输入：Part A部分开始会添加[CLS]，而对于提取的mask部分，会在每个的开始和结束添加一个特殊标记，比如[START], [END]。 位置：Part A -> 0，Part B -> 1 ～ len(Part B) 组合之后的输入格式如下：

句子：  [CLS] x1 x2 [M] x4 [M] [S] x5 x6 [S]  x3
位置1:    0     1  2   3   4  5   5   5  5  3    3
位置2:    0     0  0   0   0  0   1   2  3  1    2

输出：

 x5 x6 [E]  x3 [E]

在这里插入图片描述

注意力

  mask注意力矩阵如上图d所示，从矩阵可以很明显看到，在Part A部分，采用的是自编码注意力，而在Part B部分，采用的是自回归注意力。GLM的注意力就是这样将2部分矩阵进行拼接，形成了即有单向，又有双向的注意力的模型。

模型结构

与BERT相似，主要做了两个修改： 1、改变了归一化和残差的顺序，在largeBERT模型中有效；
2、替换前馈网络为线性网络。

目标函数

1、span mask的长度服从泊松分布(λ=3)， 2、span mask部分覆盖50%-100%的原始token，长度使用均匀分布采样。

采样方式与BART一样。重复采样，直到15%的token被mask。 在这里插入图片描述

即最大化Part B部分的span生成。

Finetuning GLM

Finetune主要分为分类和生成任务，其具体的流程如下图所示。
在这里插入图片描述 - 分类任务
  将NLU中的分类任务定义为空白填充的生成任务。先将某些标签映射为某个词，比如情感分析积极 -> good，消极 -> bad。然后将映射后的词进行Blank预测。这样一来，就可以这样构造数据：

  It’s a beautiful day, I’m in a great mood. *it is [MASK]. [S] good*
  I failed in the exam today. I was very depressed. *it is [MASK] [S] bad*

  这样，就可以构造最大似然函数如下： 在这里插入图片描述 - 生成任务
只需要将mask添加到输入的句子Part A的结尾即可，然后利用自回归方式生成Part B的token。生成一句结束之后，如果还想继续生成，可把生成之后的句子放入Part A部分，然后同样在Part A结尾处添加mask符。

模型比较

Vs Bert

Bert属于自编码模型。

  • 目标任务是预测mask，而且mask之间是相互独立的，因此，Bert不能捕捉到mask之间的相关性；
  • Bert只能处理单token的mask，不能处理多个连续的mask token，即只能预测单个token。

Vs XLNet

XLNet属于自回归的模型。 - 需要知道预测token的长度； - 使用双流注意力机制解决了信息泄漏的问题，改变了transfomer的结构，增加了耗时 - XLNet决定一个token是否被独立预测。

Vs T5

  • T5也是处理的Blank填充的任务目标，但是GLM使用了单个的transformer编码器学习单向和双向的注意力。
  • T5在编码和解码阶段使用不同的位置编码，使用哨兵标记来识别不同的mask跨度，哨兵标记造成了模型能力的浪费和预训练微调的不一致性。而GLM通过共享参数使参数比编码解码模型更有效。

Vs UniLM

  XLNet属于自编码的模型。 - UniLM是通过在自编码框架下改变在双向，单向，互相之间的attention mask来统一预训练目标；但还是不能完全捕捉当前token对于前面token的依赖。 - 微调GLM，为了保持和预训练的一致性，其采用mask的方式做生成任务会比自回归更加低效。比如长度上就多了几个token。

结果讨论

  • SuperGLUE 在这里插入图片描述

GLMbase/large ： 采用和Bert相同的数据和超参数，训练任务也一样，只是预测mask。
GLMbase/large (multi-task) ： 在GLMbase/large 的基础上加了变长span，即生成任务
GLMbase/large (multi-task) ： 在GLMbase/large (multi-task)的基础上增加了层数，隐层维度和注意力头。 410M (layers=30, hidden=1024, headers=16 ) 和 515M(layers=30, hidden=1152, headers=18 ) ，410M、515M分别是Bert large参数的1.25、1.5倍
GLMRoBERTa：采用和RoBerta large相同的类似数据和超参数，采用GLM训练方式。

- SEQ2SEQ 在这里插入图片描述

  • 语言模型

  515M的GLM模型相比GPT2 large 在Lambada数据集上的Acc要高，PPL要低。

在这里插入图片描述

- 消融实验

  之后，本文继续对比了下游任务finetune方式的影响。主要有两种： 1）句子分类的方式。就是直接将句子的输出向量做分类。
2）mask填充方式。就是在输入句子的结尾加上mask，然后采用生成的方式输出分类的词，这种方式和预训练的任务一致。

  从表5可以看到，base模型采用cloze方式finetune在NLU的任务上大部分的任务相比classifier有10个点以上的提升。large模型性能损失会相对小一些，但仍没有采用cloze方式的效果好。   此外，shuffle spans也有一定的提升，sentinel token会降低模型效果，在上面的Table4中可以得出二维的位置表示对模型效果也有一定提升。 sentinel token：指的是在mask位置上用不同的符号表示不同的span

结论

  GLM 是一个用于自然语言理解、生成和分类的通用预训练框架。研究表明，自然语言理解任务可以表示为条件生成任务，因此可以用自回归模型处理，GLM 将不同任务的预训练目标统一为自回归Blank填充，采用混合注意掩码和新的2D 位置编码。实验结果表明，对于 NLU 任务，GLM 方法优于以前的方法，能够有效地共享不同任务的参数。希望将 GLM 扩展到更大的Transformer模型和更多的预训练数据，验证其性能。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2103.10360

李省平

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