BERT 通過改變 NLP 模型的訓練方式迎來了 NLP 領域的 ImageNet 時刻。自此之后的預訓練模型分別嘗試從mask 范圍，多語言，下文預測，模型輕量化，預訓練方式，模型大小，多任務等方向謀求新突破，有的效果明顯，有的只是大成本小收益。

自 2018 年 BERT 提出之后，各種預訓練模型層出不窮，模型背后的著眼點也各有不同，難免讓人迷糊。本文旨在從以下幾個方面探討系列 Transformers 研究方向：

擴大遮罩范圍（MaskedLM）

下文預測（NextSentencePrediction）

其他預訓練方式

輕量化

多語言

越大越好？

多任務

要說 BERT 為什么性能卓越，主要是它改變了 NLP 模型的訓練方式。先在大規(guī)模語料上訓練出一個語言模型，然后將這個模型用在閱讀理解/情感分析/命名實體識別等下游任務上

Yann LeCun 將 BERT 的學習方式稱為“自監(jiān)督學習”，強調(diào)模型從輸入內(nèi)容中學習，又對其中部分內(nèi)容進行預測的特點。而 BERT 本身實際算是是基于 Transformer 編碼器部分改進而來的多任務模型，會同時執(zhí)行遮罩語言模型學習以及下文預測任務，以此習得潛藏語義。

擴大遮罩范圍改進 MaskedLM

遮罩語言模型里的“遮罩”，通常是分詞后一小段連續(xù)的 MASK 標記

相比于從上下文中猜整個詞，給出 ##eni 和 ##zation 猜到 tok 顯然更容易些。

也正因單詞自身標識間的聯(lián)系和詞與詞間的聯(lián)系不同，所以 BERT 可能學不到詞語詞間的相關關系。而只是預測出詞的一部分也沒什么意義，預測出整個詞才能學到更多語義內(nèi)容。所以拓展遮罩范圍就顯得十分重要了：

字詞級遮罩——WWM

短語級遮罩——ERNIE

縮放到特定長度——N-gram 遮罩/ Span 遮罩

短語級遮罩使用時得額外提供短語列表，但加上這樣的人工信息可能會干擾模型導致偏差。T5 嘗試了不同跨度的遮罩，似乎長一些的會好點

可以看到初期擴大跨度是有效的，但不是越長越好。SpanBERT 有一個更好的解決方案，通過概率采樣降低對過長遮罩的采納數(shù)量。

從 SpanBERT 的實驗結果來看隨機跨度效果不錯

此外，也有模型嘗試改進遮罩比例。Google 的 T5 嘗試了不同的遮罩比例，意外的是替代項都不如原始設置表現(xiàn)好

下文預測

準確地講應該是下一句預測（NextSentencePrediction，NSP），通過判斷兩個句子間是否是上下文相關的來學習句子級知識。從實驗結果來看，BERT 并沒有帶來明顯改進

BERT 的欠佳表現(xiàn)給了后來者機會，幾乎成了兵家必爭之地。XLNET / RoBERTa / ALBERT 等模型都在這方面進行了嘗試

RoBERTa

ALBERT

XLNet

可以看出 NSP 帶來的更多的是消極影響。這可能是 NSP 任務設計不合理導致的——負樣本是從容易辨析的其他文檔中抽出來的，這導致不僅沒學到知識反而引入了噪聲。同時，NSP 將輸入分成兩個不同的句子，缺少長語句樣本則導致 BERT 在長句子上表現(xiàn)不好。

其他預訓練方式

NSP 表現(xiàn)不夠好，是不是有更好的預訓練方式呢？各家都進行了各種各樣的嘗試，私以為對多種預訓練任務總結的最好的是 Google 的 T5 和 FaceBook 的 BART

T5 的嘗試

BART 的嘗試

各家一般都選語言模型作為基線，而主要的嘗試方向有

擋住部分標識，預測遮擋內(nèi)容

打亂句子順序，預測正確順序

刪掉部分標識，預測哪里被刪除了

隨機挑選些標識，之后將所有內(nèi)容前置，預測哪里是正確的開頭

加上一些標識，預測哪里要刪

替換掉一些標識，預測哪里是被替換過的

試驗結果如下

實驗表明遮罩模型就是最好的預訓練方法。要想效果更好點，更長的遮罩和更長的輸入語句似乎是個不錯的選擇。而為了避免泄露具體擋住了多少個詞，每次只能標記一個遮罩，對一個或多個詞做預測

輕量化

BERT 模型本身非常大，所以為了運行更快，模型輕量化也是一大研究方向。一網(wǎng)打盡所有 BERT 壓縮方法[1]對此有細致描述，主要分幾個方向：

修剪——刪除部分模型，刪掉一些層 / heads 等

矩陣分解——對詞表 / 參數(shù)矩陣進行分解

知識蒸餾——師生結構，在其他小模型上學習

參數(shù)共享——層與層間共享權重

多語言

數(shù)據(jù)集在不同語言間分布的非常不均勻，通常是英語數(shù)據(jù)集很多，其他語言的相對少些，繁體中文的話問題就更嚴重了。而 BERT 的預訓練方法并沒有語言限制，所以就有許多研究試圖喂給預訓練模型更多語言數(shù)據(jù)，期望能在下游任務上取得更好的成績。

谷歌的 BERT－Multilingual 就是一例，在不添加中文數(shù)據(jù)的情況下，該模型在下游任務上的表現(xiàn)已經(jīng)接近中文模型

有研究[2]對多語言版 BERT 在 SQuAD（英語閱讀理解任務）和 DRCD（中文閱讀理解任務）上進行了測試。最終證明可以取得接近 QANet 的效果，同時多語言模型不用將數(shù)據(jù)翻譯成統(tǒng)一語言，這當然要比多一步翻譯過程的版本要好。

從上面的結果可以看出無論是用 Embedding 還是 Transformer 編碼器，BERT 都學到了不同語言間的內(nèi)在聯(lián)系。另有研究[3]專門針對 BERT 聯(lián)通不同語言的方式進行了分析。

首先，在相同的 TLM 預訓練模型中對不同語言建立關聯(lián)

然后，通過控制是否共享組件來分析哪個部分對結果影響最大

結果是模型間共享參數(shù)是關鍵

這是因為 BERT 是在學習詞和相應上下文環(huán)境的分布，不同語言間含義相同的詞，其上下文分布應該很接近

而 BERT 的參數(shù)就是在學習期間的分布，所以也就不難理解模型在多語言間遷移時的驚人表現(xiàn)了

越大越好？

盡管 BERT 采用了大模型，但直覺上數(shù)據(jù)越多，模型越大，效果也就應該更好。所以很多模型以此為改進方向

T5 更是憑借 TPU 和金錢的魔力攀上頂峰

然而更大的模型似乎并沒有帶來太多的回報

所以，簡單增大模型規(guī)模并不是最高效的方法。

此外，選用不同的訓練方法和目標也是一條出路。比如，ELECTRA 采用新型訓練方法保證每個詞都能參與其中，從而使得模型能更有效地學習表示（representation）

ALBERT 使用參數(shù)共享降低參數(shù)量，但對性能沒有顯著影響

多任務

BERT 是在預訓練時使用多任務，我們同樣可以在微調(diào)時使用多任務。微軟的用于自然語言理解的多任務深度神經(jīng)網(wǎng)絡[4]（MTDNN）就是這么做的

相交于 MTDNN，GPT-2 更加激進：不經(jīng)微調(diào)直接用模型學習一切，只用給一個任務標識，其余的交給模型。效果出眾但仍稱不上成功

T5 對此做了平衡

谷歌的 T5 類似于 GPT-2，訓練一個生成模型來回答一切問題。同時又有點像 MTDNN，訓練時模型知道它是在同時解決不同問題，它是一個訓練/微調(diào)模型

同時，大體量預訓練模型都面臨相同的兩個難題：數(shù)據(jù)不均衡和訓練策略選定

不均衡數(shù)據(jù)

不同任務可供使用的數(shù)據(jù)量是不一致的，這導致數(shù)據(jù)量小的任務表現(xiàn)會很差。數(shù)據(jù)多的少采樣，數(shù)據(jù)少的多采樣是一種解決思路。BERT 對多語言訓練采用的做法就是一例

為平衡這兩個因素，訓練數(shù)據(jù)生成（以及 WordPiece 詞表生成）過程中，對數(shù)據(jù)進行指數(shù)平滑加權。換句話說，假如一門語言的概率是

，比如 意味著在混合了所有維基百科數(shù)據(jù)后， 21% 的數(shù)據(jù)是英文的。我們通過因子 S 對每個概率進行指數(shù)運算并重新歸一化，之后從中采樣。我們的實驗中， ，所以像英語這樣的富文本語言會被降采樣，而冰島語這樣的貧文本語言會過采樣。比如，原始分布中英語可能是冰島語的 1000 倍，平滑處理后只有 100 倍

訓練策略

無監(jiān)督預訓練+微調(diào)：在 T5 預訓練后對各任務進行微調(diào)

多任務訓練：所有任務和 T5 預訓練一同訓練學習，并直接在各任務上驗證結果

多任務預訓練+微調(diào)：所有任務和 T5 預訓練一同訓練學習，然后對各任務微調(diào)訓練數(shù)據(jù)，再驗證結果

留一法多任務訓練：T5 預訓練和目標任務外的所有任務一同進行多任務學習，然后微調(diào)目標任務數(shù)據(jù)集，再驗證結果

有監(jiān)督多任務預訓練：在全量數(shù)據(jù)上進行多任務訓練，然后對各任務微調(diào)結果

可以看到先在海量數(shù)據(jù)上進行訓練，然后對特定任務數(shù)據(jù)進行微調(diào)可以緩解數(shù)據(jù)不平衡問題。

審核編輯 ：李倩