首篇严肃的“BERT学”研究，40+ 论文对比，解读 BERT 工作原理

作者 | 张景俊

编辑 | 丛 末

目前，不管是工业界还是学术界，基于 Transformer 的模型已经广泛应用于自然语言处理(NLP)任务中，然而很多人依然对这些模型的内部工作机制知之甚少。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2002.12327

基于此背景，Anna Rogers等人对当前霸占各大NLP任务榜单的 BERT 模型进行了论述，分析了BERT模型工作机理，包括pre-training和fine-turning阶段。并且提出了一些改善BERT模型训练性能的新方法，此外，对未来BERT在NLP任务中的研究方向也进行了探索。

AI 科技评论对这篇文章内容作以简介，抛砖引玉。

1、简 介

自2017年Transformers提出以来，便迅速席卷了整个NLP领域，在众多Transformer-based模型中，毫无疑问最著名的非BERT莫属。本文是一篇综述性文章，概述了目前学术界对BERT已取得的研究成果，并且对后续的研究也进行了展望。

2、BERT 架构

BERT是基于multiple “heads”多头组成的Transformer编码器，它的全连接层采用了self-attention机制，其中每一个头部都用于进行key、value、query的计算。

BERT的常规工作流程分为两个阶段：预训练pre-training和微调fine-tuning。其中预训练使用两个半监督任务：MLM模型和NSP模型，对于MLM模型而言，他主要的作用是预测被随机mask的输入token，对于NSP模型而言，他主要的作用是用于，预测两个输入句子是否彼此相邻、是否为前后句关系。相比预训练阶段，微调fine-tuning主要是针对下游应用，在fine-tuning时是通常需要一层或多层全连接层来添加到最终编码器层的顶部，如图1所示：

目前，工业界主流的BERT分为基础版和大型版，差异具体体现在模型网络层数的不同、hidden size的大小和不同数量的attention heads。图2给出了Hewitt等人利用BERT进行NLP任务时的解析树。

3、BERT 嵌入

对于BERT embeddings的介绍，作者引述了这方面的相关研究成果进行论述。其中Mikolov和Pennington等人对BERT embeddings与传统的static embeddings之间的区别提出了新的见解，他们认为BERT的embeddings过程是取决于上下文关系的，即每个输入的token都是依赖于特定上下文的向量；而Wiedemann等人于认为BERT的embeddings是通过上下文嵌入与词语聚类来实现的；Mickus等人认为注意力相同单词之间的embedding通过依赖于他们在句子中的位置实现的。

4、BERT学到的是什么知识？

在这一部分，作者主要就目前对BERT中的knowledge进行了阐述，具体包括：句法知识（Syntactic knowledge）、语义知识（Semantic knowledge）和知识库（World knowledge）。对于Syntactic knowledge而言，学术界认为BERT对于格式错误的输入信息其实并不敏感，主要表现在它的预测不因改变单词顺序、句子截断、主语和宾语被删除而受影响。

然而，对于Semantic knowledge的研究学术论文相对较少，但是不乏如Tenney等人的研究，他们主要对BERT编码与语义知识之间的关系进行了研究。对于World knowledge的研究主要是Petroni等人，他们于2019发表了有关vanilla BERT与World knowledge在关系型任务中的工作原理论文。

5、Localizing linguistic knowledge

这一部分，作者主要从两个角度来进行阐述，分别为：Self-attention heads和BERT layers。

1）Self-attention heads

目前，许多学者认为研究注意力对于理解Transformer模型很有帮助，因此针对attention heads学术界进行了大量的研究。2019年，Kovaleva等人对Self-attentionheads的研究表明，Self-attention heads不会直接编码任何普通的语言信息，这是因为它们中有不足一半的是“heterogeneous”模式。同年，Clark等人对[CLS]和[SEP]在注意力机制中的作用进行了相关研究，它们假设用[CLS]和[SEP]来代替句号和逗号，并且让模型学会依赖他们。他们还假定[SEP]的功能就是是“no-op”，通俗的理解就是一旦模式不适用于当前情况，其头部信息是完全可以忽略的。

2）BERT layers

针对BERT的网络结构，作者主要从BERT layers的首层、中间层、最末层三部分进行阐述。对于first layer而言，可以接收由token、segment和positional embeddings三种组合后的输入，所以作者认为他的lower layers具有线性的词序信息。对于BERT的middle layer， Liu等人认为这一层主要用于处理句法信息，通过实验表明，跨任务转移在transform中间层上表现最佳。对于BERT的最末层网络而言，它主要是用于处理具体场景下的任务，这一点在fine-tuning阶段得到了很好地应用。

6、Training BERT

预训练和微调是BERT中的两个重要的任务。在预训练阶段，许多学者针对下一句预测（NSP）和屏蔽语言模型提出了改善BERT性能的一些方法，诸如删除NSP任务、dynamic masking、句子 masking 、实体 masking以及Conditional MLM等等。我们以删除NSP任务为例说明，作者列举了Liu 、Joshi、Clinchant等人的研究成果，研究表明删除NSP任务不但不会损害BERT任务的性能，相反甚至会提升BERT的工作性能，这一情况尤其是在跨语言模型中将NSP替换为预测当前的前后句子表现的更为明显。

对于微调阶段，学术界也进行了多项试验来改善BERT的微调性能，包括 yang等人于2019年提出的加入更多层的网络、Phang等人提出的采用two-stage的方法来提升预训练和微调的中间监督训练等一系列实验探索。

7、How big should BERT be?

当BERT来解决复杂的NLP任务，大家通常都是采用增加模型的复杂度来提升模型的准确度，然而Voita等人通过实验表明，这一做法往往会使得一部分NLP任务因为模型过于复杂反而而造成模型性能的下降。

作者给出了Michel等人在2019年发表论文，阐述了增加BERT模型复杂度对下游任务造成的损害，实践表明通过禁用部分多余的头不但没有造成性能的下降，反而给机器翻译任务带来了性能上的提升，同样的，对于GLUE任务，也有相同的实验结果。至于为什么出现这种情况，Clark等人认为可能是由于在dropout部分attention时，会将训练过程中的注意力权重归零的缘故造成的。

基于此背景，学术界诞生了很多BERT compression的研究，随之作者列举了有关于压缩后的BERT模型性能，并进行了比较，如表1所示。

Table1: Comparison of BERT compression studies

表中的speedup是针对BERTbase而言，各模型中的下标数字代表的是层数，可以发现压缩后的BERT，优点不仅体现在运行速度的提升，而且performance也大幅提升，典型的代表模型如TinyBERT、Albert等。

8、Multilingual BERT

这一部分作者主要对Multilingual BERT模型进行了介绍，其中多语言BERT指的是利用Wikipedia上已有的104种语言，进行了二次抽样或者使用指数平滑进行超级采样后，最终训练好的模型，图7给出了mBERT均值池的语言云图。针对多语言BERT模型，Wu 和 Dredze等人认为它在zero-shot 转移任务中表现极为出色，这是由于该模型通过学习大量的高质量跨语言单词，辅助open-class结构语言，从而极大地提升了模型的质量。当然多语言BERT模型也有很多需要改进的地方，作者罗列了业界主要的改进方法，具体如下：

1、通过freezing 底层的网络来提升多语言数据集的fine-tuning;

2、在fine-tuning任务上改进单词的对齐；

3、通过translation language模型来改善预训练时被屏蔽的目标单词或句子对；

Figure 7:Language centroids of themean-pooled mBERT representations

9、讨论

通过上面的分析介绍，我们会发现，相比其他NLP模型，BERT模型拥有惊人数量的句法、语义以及world knowledge。然而，对于这些惊人数量的句法、语义以及world knowledge，学术界并没有阐述BERT任务中探测分类器是如何根据它们学习以及应用于下游任务的。

除此之外，有关于探针复杂度与检验假设的问题也没有得到合理地解释，这些都需要我们进一步对原模型进行探索。在此背景下，作者给出了未来关于BERT的三个研究方向，分别为：需要推理能力的benchmarks、开发新方法用于“teach” reasoning以及有效的学习推理过程。

10、结论

在短短一年多的时间里，BERT已成为NLP领域众多分析模型的首选，并且很多人也基于BERT进行了各版本的改进，本论文主要是用于阐述目前BERT的研究成果以及工作原理，希望读者能够通读这份文献深入了解BERT，并对以后BERT的研究提出自己的观点与意见。