预训练的启蒙：浅谈BERT、RoBERTa、ALBERT、T5

文章目录

Transformer揭开预训练序幕
- 为什么RNN/LSTM需要从头训练？
BERT
- 核心特点
- 预训练任务
- 架构
- 应用和影响
RoBERTa
- 改进点
- BERT和RoBERTa的MASK策略对比
- - BERT的静态MASK策略
  - RoBERTa的动态MASK策略
  - 效果
- 总结
ALBERT
- 改进点
- 参数共享
- 因式分解嵌入参数
- - 和LoRa对比
- 总结
T5
- 核心特点
- 创新之处
- 类大语言模型

Transformer揭开预训练序幕

为什么RNN/LSTM需要从头训练？

预训练在NLP领域之所以主要集中在前馈神经网络和Transformer架构上，而不是RNN和LSTM，主要是由于几个关键因素：模型性能、并行计算能力和训练效率。我们来逐一探讨这些因素。

模型性能和长期依赖问题
- 长期依赖问题：在处理长序列数据时，RNN和LSTM虽然理论上可以捕捉长距离的依赖关系，但在实践中往往难以学习到这些依赖。尽管LSTM通过引入门控机制改善了这一点，但它们在处理非常长的依赖关系时仍然存在挑战。
- Transformer的优势：相比之下，Transformer架构通过自注意力机制（Self-Attention）能够直接计算序列内任意两个位置之间的关系，极大地改善了模型处理长期依赖问题的能力。这使得Transformer在各种NLP任务中表现优异，特别是在需要理解长文本上下文的任务中。
并行计算能力
- 并行化处理：RNN和LSTM由于其循环性质，每个时间步的计算依赖于前一个时间步的输出，这限制了它们的并行计算能力。而Transformer完全基于注意力机制，不依赖于序列中的时间步顺序，因此可以实现高效的并行化处理。
- 训练效率：并行计算能力的提升直接影响到模型的训练效率。在使用相同的计算资源下，Transformer可以在更短的时间内处理更多的数据，加速了模型的训练过程，这对于预训练尤其重要，因为预训练通常需要在非常大的数据集上进行。
数据规模
- 大规模预训练的需求：预训练模型的成功很大程度上依赖于模型在大规模数据集上的训练能力。Transformer架构由于其并行化优势，能够有效地在大规模数据集上进行训练，这使得其更适合于预训练场景。
- 数据利用率：与RNN和LSTM相比，Transformer能够更有效地利用大量无标注数据进行预训练。例如，BERT等模型通过掩码语言模型（Masked Language Model）等预训练任务，能够学习到丰富的语言表示，这对于后续的微调任务非常有益。

BERT

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是由Google在2018年提出的一种预训练语言表示模型，它在自然语言处理（NLP）领域引起了巨大的影响。BERT的核心创新在于它采用了Transformer架构的编码器，并且是第一个在大规模语料库上进行双向训练的语言模型，能够捕捉到丰富的上下文信息。

核心特点

双向训练：BERT的最大创新之一是其双向训练策略。传统的语言模型通常是单向的，即只能从左到右或从右到左建模语言。相比之下，BERT通过预训练任务学习了在任何给定的上下文中理解单词的能力，无论这个上下文出现在单词的左边还是右边。
预训练和微调：BERT模型首先在大规模的语料库上进行预训练，学习通用的语言表示，然后可以通过微调（Fine-tuning）过程适应各种具体的下游任务，如文本分类、问答、命名实体识别等。

预训练任务

BERT的预训练包括两个主要任务：

Masked Language Model (MLM)：随机遮蔽（masking）输入句子中的单词，并让模型预测这些被遮蔽的单词。这种方法允许模型学习到双向的上下文信息。
Next Sentence Prediction (NSP)：给定两个句子A和B，模型需要预测B是否是A的下文。这个任务帮助BERT捕捉句子间的关系。

架构

BERT模型基于Transformer架构，特别是其编码器部分。模型的大小通常由其层数（Transformer块的数量）、隐藏层大小和自注意力头的数量决定。BERT有两个主要版本：

BERT-Base：12层Transformer，768个隐藏层大小，12个自注意力头，共有1.1亿参数。
BERT-Large：24层Transformer，1024个隐藏层大小，16个自注意力头，共有3.4亿参数。

应用和影响

BERT模型的推出极大地推动了NLP领域的发展，不仅在多个NLP任务上设置了新的性能基准，也激发了后续一系列基于Transformer的预训练模型的开发，如RoBERTa、ALBERT、T5等。BERT的成功证明了预训练语言模型在提高各种NLP任务性能方面的潜力，尤其是在充分利用大规模未标注文本数据进行语言理解方面。

RoBERTa

RoBERTa（Robustly optimized BERT approach）是由Facebook AI研究院提出的一种改进的BERT模型，旨在通过更细致的调整训练过程来提升模型性能。RoBERTa在多项NLP任务上展示了比原始BERT更优秀的性能。

改进点

其关键的改进点主要集中在预训练过程的几个方面：

更大的训练数据集
RoBERTa使用了比原始BERT更大和更丰富的数据集进行预训练。除了使用BERT的原始英语Wikipedia和BooksCorpus数据集之外，RoBERTa还加入了更多的数据源，如CommonCrawl数据集的一个子集（CC-News）、开放网页数据集（OpenWebText）以及一个故事数据集（Stories）。这使得RoBERTa的预训练数据比BERT大了不止一个数量级，从而提升了模型学习到的语言表示的质量和广度。
去除NSP（Next Sentence Prediction）任务
RoBERTa的研究者发现，去除BERT预训练中的下一句预测（NSP）任务能够提升模型性能。因此，在RoBERTa的预训练过程中，只使用了Masked Language Model（MLM）作为训练任务。这一发现表明，虽然NSP任务有助于理解句子间关系，但它可能不是学习高质量语言表示的最有效途径。
更长的训练时间，更大的批量大小
RoBERTa在训练过程中采用了更长的训练时间和更大的批量大小。这意味着模型在优化过程中能够更充分地利用大量数据，从而提高模型的泛化能力。这种训练策略的背后逻辑是，更充分的训练有助于模型更好地理解和利用预训练数据集中的丰富信息。
动态调整MASK策略
与BERT固定在预处理阶段对输入数据应用MASK不同，RoBERTa采用了动态MASK生成策略。这意味着在每次数据传递给模型之前，MASK的位置会动态变化。这种策略增加了模型训练的多样性，使模型能够学习到更加稳健的语言表示。
超参数调整
RoBERTa对训练过程中的一些关键超参数进行了细致的调整，比如学习率、批量大小和训练步数。通过对这些超参数的优化，RoBERTa能够更有效地利用其增大的数据集和延长的训练周期。

BERT和RoBERTa的MASK策略对比

BERT的静态MASK策略

在BERT的预训练过程中，MASK操作是静态的。这意味着在预处理阶段就确定了哪些词会被MASK掉，而且在整个预训练过程中，每次这个句子被训练时，被MASK的词是不变的。例如，如果在预处理时一个句子中的某个词被MASK，那么在所有的训练周期（epochs）中，当这个句子参与训练时，这个词始终是MASK状态。

RoBERTa的动态MASK策略

相比之下，RoBERTa引入了动态MASK策略。这意味着在不同的训练周期中，即使是相同的句子，被MASK的词也可能不同。这种策略在每个epoch开始时动态地确定哪些词被MASK，而不是在预处理阶段一次性决定。因此，对于相同的句子，不同的训练周期可能会MASK不同的词，从而提供更多的上下文多样性和学习机会。

效果

RoBERTa的动态MASK策略 增加了模型训练的多样性，使模型能够从更多不同的上下文中学习，有助于提高模型对语言的理解能力和泛化性。这也是RoBERTa在多个NLP任务上性能超过BERT的原因之一。
BERT的静态MASK策略 在早期已经证明了其有效性，通过大量的数据和多次的训练迭代，BERT能够学习到丰富的语言表示。但RoBERTa通过动态MASK进一步提升了这一过程的效率和效果。

总结

RoBERTa通过在预训练阶段进行一系列的优化，有效地改进了BERT模型的性能。这些优化包括使用更大的数据集、去除NSP任务、采用更长的训练周期和更大的批量大小、引入动态MASK生成策略以及超参数的细致调整。这些改进让RoBERTa在多项自然语言处理任务上取得了比原始BERT更好的性能，证明了继续优化预训练过程在提升模型性能方面的潜力。

ALBERT

ALBERT（A Lite BERT）是一种优化版的BERT模型，由Google Research在2019年提出。ALBERT的主要目标是减少模型的大小，提高训练速度和效率，同时保持或提升模型性能。

改进点

ALBERT通过引入了几个关键的技术创新来实现这些目标：

参数共享（Parameter Sharing）
ALBERT最显著的特点之一是在模型的不同层之间共享参数。这种策略显著减少了模型的总参数量。在BERT中，每一层的参数都是独立的，这意味着更深的模型会有更多的参数。ALBERT通过跨层共享参数（比如所有层共享相同的注意力参数），减少了模型大小，同时也加速了训练过程。
因式分解嵌入参数（Factorized Embedding Parameterization）
在传统的BERT模型中，词嵌入层（Word Embedding Layer）的维度与隐藏层的维度相同，这导致词嵌入层有着相对较大的参数量。ALBERT通过将词嵌入层的维度和隐藏层的维度分解开，首先将词映射到一个较小的维度，然后再映射到隐藏层的较大维度。这种因式分解方法减少了词嵌入参数的数量，进一步降低了模型的总参数量。
句子顺序预测（Sentence Order Prediction，SOP）
ALBERT修改了原始BERT模型中的下一句预测（Next Sentence Prediction，NSP）任务，改为句子顺序预测（SOP）任务。NSP任务要求模型判断第二个句子是否紧随第一个句子之后。而SOP任务更专注于理解两个句子之间的逻辑关系，要求模型判断两个句子是否保持正确的顺序。这个改变旨在让模型更好地学习句子间的关系，而不仅仅是它们是否属于同一个上下文。
去除NSP
ALBERT发现，对于许多下游任务来说，原始BERT中的NSP预训练任务并不是特别有用。通过将其替换为SOP，ALBERT能够在多项任务上取得更好的性能，同时简化了预训练过程。

参数共享

ALBERT通过在所有Transformer层之间共享参数来解决这个问题。具体而言，它采用以下方式：

自注意力层参数共享：在ALBERT中，所有的Transformer层使用相同的自注意力权重。这意味着，无论模型有多少层，自注意力的参数总量都不会增加。
前馈网络（Feed-forward Network，FFN）参数共享：类似地，所有层中的前馈网络也共享相同的权重。

参数共享确实让人联想到了将多层网络压缩为一层，因为所有层都使用相同的参数。然而，参数共享在深度学习模型，尤其是在ALBERT这样的模型中，依然能够有效地提升性能和效率，原因在于几个关键的方面。

深度和复杂度
尽管所有层共享相同的参数，但模型的深度（多个处理层）本身就提供了额外的处理和表示能力。每层的输出可以视为输入数据的一个更加复杂和抽象的表示，即使这些层使用相同的参数。通过多次应用相同的转换，模型能够逐步提炼和抽象输入数据的特征，这在处理复杂的自然语言处理任务时尤其重要。
非线性激活函数
深度神经网络中每个层的输出通常会通过一个非线性激活函数，如ReLU或GELU。这些非线性变换是神经网络能够捕捉复杂模式的关键所在。即使所有层共享相同的线性变换（即权重），非线性激活函数也允许网络生成复杂的非线性决策边界。
上下文建模能力
在自然语言处理任务中，捕获词汇、句子或段落之间的复杂关系至关重要。即使参数相同，每个Transformer层的自注意力机制都能在前一层输出的基础上进一步提炼和整合上下文信息。通过多层处理，即使是使用相同的参数，模型也能捕获和建模更长范围内的依赖关系。
梯度和学习过程
在训练过程中，虽然参数在各层间共享，但梯度（参数更新的方向和大小）的计算考虑了整个网络的损失。这意味着，参数更新反映了所有层共同的学习目标。此外，由于梯度是通过反向传播计算的，每一层的梯度都与它的输入和输出有关，这些输入和输出在每一层都是不同的。因此，即使参数相同，每一层也在处理不同的“版本”（即通过之前层的处理）的数据。
计算和参数效率
参数共享显著减少了模型的总参数数量，这不仅降低了过拟合的风险，还提高了计算效率。虽然在表面上似乎减少了模型的表达能力，但实践证明，通过合理的设计，如ALBERT这样的模型能够在保持甚至提升性能的同时，大幅减轻模型的计算负担。

因式分解嵌入参数

因式分解嵌入参数之所以有效，关键在于它巧妙地平衡了模型复杂度和参数量的关系，同时保持了足够的表示能力。让我们详细探讨这个问题。

因式分解嵌入参数的有效性

降维的表示能力：在因式分解嵌入参数中，词嵌入首先被映射到一个低维空间，然后再从低维空间映射到模型的高维隐藏空间。这种方法利用了低维空间可以有效捕捉词汇语义信息的特性。实际上，许多词汇的语义关系可以在较低维度的空间中被有效地表示，而不必一开始就使用高维空间。
信息的压缩和提炼：通过这种分解，模型在从词汇到低维嵌入的映射过程中压缩和提炼了信息。虽然这个过程可能会丢失一些信息，但关键在于保留对于下游任务最重要的信息。在很多情况下，这种压缩不仅减少了参数数量，还可能帮助模型抵抗过拟合，因为模型被迫学习更泛化的特征表示。

参数量减小的同时舍弃了什么
确实，在减小参数量的过程中，模型可能会丢失一些能力，特别是当涉及到表示大量细节和复杂语义关系时。因式分解嵌入参数的方法可能会牺牲一些表达能力，特别是在极端情况下，如果低维空间太小，可能无法捕捉所有重要的语义信息。然而，通过仔细选择适当的低维空间大小，可以在减少参数量和保持模型性能之间找到一个平衡点。

比喻：可以将这个过程想象成对一张图片进行压缩再解压缩。即使解压缩后的图片分辨率（即“维度”）与原图相同，由于压缩过程中一些细节已经丢失，这些细节无法从压缩后的数据中恢复出来。

虽然在某些情况下细节的丢失可能会影响模型性能，但在许多实际应用中，这种损失可能是可以接受的，甚至几乎不可察觉的。这是因为：

大多数任务不需要极端的细粒度区分：对于许多NLP任务，如情感分析、主题分类等，区分非常细微的语义差别通常不是必需的。
压缩带来的正面效果：参数减少可以使模型更快、更轻，同时减少过拟合风险，提高泛化能力。

为什么不把所有大矩阵都进行因式分解
虽然因式分解可以减少参数量并保持一定的表示能力，但这并不意味着它适用于模型中的所有矩阵。主要原因包括：

计算复杂度：虽然因式分解减少了参数量，但它也引入了额外的计算步骤（例如，两次矩阵乘法而不是一次）。在某些情况下，这可能会增加推理时的计算负担。
特定任务的需求：对于一些特定的任务，模型可能需要更高维度的直接表示能力来捕捉复杂的语义信息。因此，过度压缩某些矩阵可能会损害模型性能。
损失与收益：因式分解的最终目标是在减少参数量和保持（或甚至提升）模型性能之间找到最佳平衡。并不是所有的矩阵分解都会带来正面的效果，对于不同的模型和任务，需要细致地评估分解的效果。

总的来说，因式分解嵌入参数之所以有效，是因为它在减少参数数量的同时仍然保持了模型的核心表示能力。这种方法的成功实现依赖于对任务需求和模型结构的深入理解，以及在模型设计中做出的精细权衡。

和LoRa对比

ALBERT的因式分解嵌入参数（Factorized Embedding Parameterization）和LoRA（Low-Rank Adaptation）微调策略都涉及到了模型参数的一种高效表示或调整方式，但它们的应用场景和目标有所不同。让我们来详细比较一下。

ALBERT的因式分解嵌入参数
ALBERT提出了因式分解嵌入参数的概念，主要是为了减少模型参数的数量，从而降低模型的总体大小。在传统的BERT模型中，词嵌入层通常与模型的隐藏层维度相同，这导致词嵌入层占据了模型参数的大部分。ALBERT通过将词嵌入层分解为两个较小的矩阵来解决这个问题：一个从词汇到低维嵌入的映射，另一个从低维嵌入到高维隐藏层空间的映射。这种方法显著减少了词嵌入参数的数量，有助于缩小模型大小并提高效率。

LoRA微调策略
LoRA（Low-Rank Adaptation）是一种微调预训练模型的策略，尤其适用于参数量庞大的Transformer模型。LoRA的核心思想是在微调过程中不直接修改预训练模型的权重，而是向模型中添加低秩的可学习矩阵。这些矩阵与原始权重进行特定的数学操作（如线性组合），从而实现对模型行为的调整。LoRA通过仅更新少量额外参数来适应特定任务，既保持了预训练模型的泛化能力，又提高了微调的效率和效果。

比较

目的不同：ALBERT的因式分解旨在减少模型的总参数量，以便于训练更大规模的模型或适应资源受限的环境。而LoRA则专注于在保持预训练模型结构不变的前提下，通过微调低秩矩阵来适应下游任务。
应用阶段不同：ALBERT的因式分解是在模型的预训练阶段采用的策略，目的是构建一个轻量级的模型框架。LoRA则是在预训练模型的微调阶段使用，为的是高效地适应特定任务。
参数调整方式不同：ALBERT通过改变嵌入层的结构来减少参数，而LoRA在现有模型结构上增加了新的可学习参数（低秩矩阵），这些参数与原有权重进行交互以调整模型的行为。

尽管ALBERT的因式分解嵌入参数和LoRA都试图通过优化参数结构来提高模型的效率和效果，但它们的具体实现方式、应用场景和目标存在明显差异。

总结

通过这些创新，ALBERT在减少模型大小的同时，仍然能够保持甚至超过BERT模型的性能。这使得ALBERT尤其适用于资源受限的环境，比如移动设备或需要快速训练和部署的场景。ALBERT在NLP任务上的成功展示了在模型设计中寻求效率和效果之间平衡的重要性。

总的来说，ALBERT是在BERT的基础上进行的一种轻量级优化，它通过参数共享、因式分解嵌入参数和引入SOP任务等创新方法，在减少模型复杂度和提高效率的同时，保持了良好的模型性能。

T5

T5（Text-to-Text Transfer Transformer）是由Google在2019年提出的一种自然语言处理模型，旨在将各种文本处理任务统一为一个文本到文本的框架。T5模型的设计哲学是“万物皆可Seq2Seq”，意味着无论任务是什么（翻译、摘要、问答等），都可以通过将任务格式化为输入文本到输出文本的转换来解决。

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核心特点

统一任务格式：T5将所有NLP任务视为文本到文本的转换问题。例如，对于分类任务，输入可以是“问题: 这是一个什么类型的问题？文本: 这是关于自然语言处理的。”，输出可以是分类标签“NLP”。
预训练任务：T5使用了一个预训练任务，称为“span corruption”，这是一个自监督学习任务。模型预训练时，从输入文本中随机选择并遮蔽（mask）一些span（文本片段），然后模型的任务是预测这些被遮蔽的span。与BERT类似的是，这种方法使模型能够学习到丰富的语言表示，但不同的是T5直接使用文本到文本的生成方式来进行预测。
Scale：T5强调了模型规模的重要性。研究表明，随着模型规模的增加，其性能也相应提高。T5提供了多种不同规模的版本，从小型（T5-Small）到超大型（T5-XXL），以适应不同的计算资源和应用场景。
数据和训练细节：T5在"C4"（Colossal Clean Crawled Corpus）上进行预训练，这是一个巨大的、清理过的网页文本数据集。此外，T5的训练过程包括了精心设计的超参数选择和优化，以及对训练数据进行混洗以提高训练效率。

创新之处

任务统一化：T5的方法强调了将所有NLP任务统一化到一个简单的框架中的可能性和效果，这简化了任务的处理过程，并为未来的NLP研究和应用开辟了新的方向。
预训练任务设计：通过使用span corruption预训练任务，T5展示了一种与传统的遮蔽语言模型（如BERT的MLM）不同的方式，这种方式更加接近实际的生成任务。
模型规模与性能的关系：T5的研究进一步证实了模型规模对于提高NLP任务性能的重要性，同时也展示了通过扩大模型规模来提升性能的潜力。

T5通过这些创新，不仅在多个NLP任务上取得了优异的性能，也为处理复杂的文本处理任务提供了一个灵活而统一的框架。