谷歌BERT模型的主体结构和创新点介绍 双向语言模型的引入

近日，谷歌AI团队新发布的BERT模型，在NLP业内引起巨大反响，认为是NLP领域里程碑式的进步。BERT的创新点在哪里？潘晟锋对这篇论文进行了深度解读。

最近谷歌研究人员通过新的BERT模型在11项NLP任务中夺得STOA结果，这在自然语言处理学界以及工业界都引起了不小的热议。

作者通过在33亿文本的语料上训练语言模型，再分别在不同的下游任务上微调，这样的模型在不同的任务均得到了目前为止最好的结果，并且有一些结果相比此前的最佳成绩得到了幅度不小的提升。

作者的这一研究其实是今年深度学习在自然语言处理中一个新热点方向的延续，故事还得从更早一点说起。

BERT的“前任”们

早在2015年的时候，微软研究院的何凯明和他的同事们发表了残差网络的论文，第一次通过残差的方式将卷积神经网络推进到了100层以上，并在图像识别的任务上刷新了当时的最高纪录。自那以后起，随着网络不断地加深，效果也在不断提升。然而大量的数据训练出来的大型网络虽然效果更好，但随着网络的加深以及数据集的不断扩大，完全重新训练一个模型所需要的成本也在不断地增加。

因此在计算机视觉处理中，人们越来越多地采用预训练好的大型网络来提取特征，然后再进行后续任务。目前这种处理方式已经是图像处理中很常见的做法了。

相比之下，自然语言处理目前通常会使用预训练的词向量来进行后续任务。但词向量是通过浅层网络进行无监督训练，虽然在词的级别上有着不错的特性，但却缺少对连续文本的内在联系和语言结构的表达能力。因此大家也希望能像图像领域那样，通过大量数据来预训练一个大型的神经网络，然后用它来对文本提取特征去做后续的任务，以期望能得到更好的效果。其实这一方向的研究一直在持续，直到今年的早些时候AllenAI提出的[ELMo](https://arxiv.org/pdf/1802.05365.pdf)由于其在后续任务上的优异表现获得了不小的关注。

在ELMo获得成功以后不久FastAI就推出了[ULMFiT](https://arxiv.org/abs/1801.06146)，其大体思路是在微调时对每一层设置不同的学习率。此后OpenAI又提出了[GPT](https://blog.openai.com/language-unsupervised/)。

从上面提及的这些论文的结果以及学界和工业界的反馈来看，这种使用大量的语料进行预训练，然后再在预训练好的模型上进行后续任务训练，虽然训练方式各有不同，但在后续任务都有不同程度的提高。

而谷歌提出的BERT就是在OpenAI的GPT的基础上对预训练的目标进行了修改，并用更大的模型以及更多的数据去进行预训练，从而得到了目前为止最好的效果。

Transformer的编码器结构

BERT的主体结构和创新点

BERT模型沿袭了GPT模型的结构，采用[Transfomer](https://arxiv.org/abs/1706.03762)的编码器作为主体模型结构。Transformer舍弃了RNN的循环式网络结构，完全基于注意力机制来对一段文本进行建模。

Transformer所使用的注意力机制的核心思想是去计算一句话中的每个词对于这句话中所有词的相互关系，然后认为这些词与词之间的相互关系在一定程度上反应了这句话中不同词之间的关联性以及重要程度。因此再利用这些相互关系来调整每个词的重要性（权重）就可以获得每个词新的表达。这个新的表征不但蕴含了该词本身，还蕴含了其他词与这个词的关系，因此和单纯的词向量相比是一个更加全局的表达。

Transformer通过对输入的文本不断进行这样的注意力机制层和普通的非线性层交叠来得到最终的文本表达。

Transformer的注意力层得到的词-词之间关系

GPT则利用了Transformer的结构来进行单向语言模型的训练。所谓的语言模型其实是自然语言处理中的一种基础任务，其目标是给定一个序列文本，预测下一个位置上会出现的词。

模型学习这样的任务过程和我们人学习一门语言的过程有些类似。我们学习语言的时候会不断地练习怎么选用合适的词来造句，对于模型来说也这样。例如：

> 今天 天气 不错， 我们 去 公园 玩 吧。

这句话，单向语言模型在学习的时候是从左向右进行学习的，先给模型看到“今天 天气”两个词，然后告诉模型下一个要填的词是“不错”。然而单向语言模型有一个欠缺，就是模型学习的时候总是按照句子的一个方向去学的，因此模型学习每个词的时候只看到了上文，并没有看到下文。更加合理的方式应该是让模型同时通过上下文去学习，这个过程有点类似于完形填空题。例如：

>今天 天气 { }， 我们 去 公园 玩 吧。

通过这样的学习，模型能够更好地把握“不错”这个词所出现的上下文语境。

而BERT对GPT的第一个改进就是引入了双向的语言模型任务。

此前其实也有一些研究在语言模型这个任务上使用了双向的方法，例如在ELMo中是通过双向的两层RNN结构对两个方向进行建模，但两个方向的loss计算相互独立。

而BERT的作者指出这种两个方向相互独立或只有单层的双向编码可能没有发挥最好的效果，我们可能不仅需要双向编码，还应该要加深网络的层数。但加深双向编码网络却会引入一个问题，导致模型最终可以间接地“窥探”到需要预测的词。这个“窥探”的过程可以用下面的图来表示：

从图中可以看到经过两层的双向操作，每个位置上的输出就已经带有了原本这个位置上的词的信息了。这样的“窥探”会导致模型预测词的任务变得失去意义，因为模型已经看到每个位置上是什么词了。

为了解决这个问题，我们可以从预训练的目标入手。我们想要的其实是让模型学会某个词适合出现在怎样的上下文语境当中；反过来说，如果给定了某个上下文语境，我们希望模型能够知道这个地方适合填入怎样的词。从这一点出发，其实我们可以直接去掉这个词，只让模型看上下文，然后来预测这个词。但这样做会丢掉这个词在文本中的位置信息，那么还有一种方式是在这个词的位置上随机地输入某一个词，但如果每次都随机输入可能会让模型难以收敛。

BERT的作者提出了采用MaskLM的方式来训练语言模型。

通俗地说就是在输入一句话的时候，随机地选一些要预测的词，然后用一个特殊的符号来代替它们。尽管模型最终还是会看到所有位置上的输入信息，但由于需要预测的词已经被特殊符号代替，所以模型无法事先知道这些位置上是什么词，这样就可以让模型根据所给的标签去学习这些地方该填的词了。

然而这里还有一个问题，就是我们在预训练过程中所使用的这个特殊符号，在后续的任务中是不会出现的。

因此，为了和后续任务保持一致，作者按一定的比例在需要预测的词位置上输入原词或者输入某个随机的词。当然，由于一次输入的文本序列中只有部分的词被用来进行训练，因此BERT在效率上会低于普通的语言模型，作者也指出BERT的收敛需要更多的训练步数。

BERT另外一个创新是在双向语言模型的基础上额外增加了一个句子级别的连续性预测任务。这个任务的目标也很简单，就是预测输入BERT的两端文本是否为连续的文本，作者指出引入这个任务可以更好地让模型学到连续的文本片段之间的关系。在训练的时候，输入模型的第二个片段会以50%的概率从全部文本中随机选取，剩下50%的概率选取第一个片段的后续的文本。

除了模型结构，模型大小和数据量都很重要

以上的描述涵盖了BERT在模型结构和训练目标上的主要创新点，而BERT的成功还有一个很大的原因来自于模型的体量以及训练的数据量。

BERT训练数据采用了英文的开源语料BooksCropus 以及英文维基百科数据，一共有33亿个词。同时BERT模型的标准版本有1亿的参数量，与GPT持平，而BERT的大号版本有3亿多参数量，这应该是目前自然语言处理中最大的预训练模型了。

当然，这么大的模型和这么多的数据，训练的代价也是不菲的。谷歌用了16个自己的TPU集群（一共64块TPU）来训练大号版本的BERT，一共花了4天的时间。对于是否可以复现预训练，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)上有一个大致的回复，指出OpenAI当时训练GPT用了将近1个月的时间，而如果用同等的硬件条件来训练BERT估计需要1年的时间。不过他们会将已经训练好的模型和代码开源，方便大家训练好的模型上进行后续任务。

虽然训练的代价很大，但是这个研究还是带来了一些思考和启发。例如双向语言模型的运用，多任务对预训练的帮助以及模型深度带来的收益。相信在未来的一段时间，自然语言处理中预训练的神经网络语言模型会得到更多的关注和运用。