乘风破浪的PTM：预训练的发动机
《乘风破浪的PTM》系列，讲述两年来预训练模型（Pre-Training Model, PTM）的技术进展，本篇主要整理预训练模型中的发动机：模型结构。错过前文的小伙伴可以通过?以下链接直接阅读哦~
背景
Bert模型自18年10月推出，到目前为止快两年了。它卜一问世即引起轰动，之后，各种改进版本的预训练模型（Pre-Training Model, PTM）与应用如过江之鲫，层出不穷。Bert及它的继任者们，确实也不负众望，在NLP各个领域攻城略地，所向披靡，多种NLP数据集竞赛榜单，连续多年被各种新出现的预训练模型霸榜，有些榜单，个别模型已经把指标刷到超过人类。
那么，在近两年的时间里，诸多改进模型中，有哪些令人印象深刻的新模型？
在那些表现突出的新模型中，是哪些因素导致它们的良好表现？
预训练模型技术本身有重大的改动或创新么？
或者，关于预训练模型，目前有哪些相对明确的结论？
根据目前的技术发展水准，如何根据现有结论，来打造最强的预训练模型？
本文通过梳理现有技术文献，试图来回答上述一系列问题。本文的数据都客观有出处，但是对数据的解读，带有严重的个人色彩，偏颇难免，还请谨慎参考
预训练的发动机：模型结构
对于预训练模型来说，目前的主流模型大都采用Transformer作为特征抽取器，现阶段看，Transformer的潜力仍然没有被充分挖掘，还有很大潜力可挖，意思是，Transformer效果足够好，而且还可以更好，貌似改进Transformer并非当务之急的事情。
预训练模型的知识，是通过Transformer在训练迭代中从数据中不断学习，并以模型参数的形式编码到模型中的。虽然，大家都是用的Transformer，但是怎么用它搭建模型结构学习效率更高？这是一个问题。
所谓学习效率高，就是给定相同大小规模的训练数据，它能编码更多的知识到模型里，这就意味着它的学习效率更高。不同的Transformer用法，会产生不同的模型结构，就会导致不同结构的差异化的学习效率。
本节我们归纳下目前能得到的，关于模型结构的现有研究结论，会介绍常见的五种模型结构。当然，这里用模型结构来表达不足够确切，因为除了模型结构外，一般还包含自监督的学习方法，常见的学习方法包括AutoEncoding(简称AE)和AutoRegressive(简称AR)。AE即我们常说的双向语言模型，而AR则代表从左到右的单向语言模型。
Encoder-AE结构
Encoder-AE结构如上图所示。这其实是包括原始版本Bert在内的，大多数后续改进模型采取的结构。整个结构就是一个标准的Transformer，在语言模型预训练的时候，采用AE方法。
也就是说，输入句中的未被Mask的任意单词两两可见，但是被Mask掉的单词之间都相互独立，互不可见。在预测某个被Mask掉的单词的时候，所有其它被Mask的单词都不起作用，但是句内未被Mask掉的所有单词，都可以参与当前单词的预测。可以看出，Encoder-AE是个采用双向语言模型的单Transformer结构。
模型结构比较（From BART）
模型结构比较（From Google T5）
从目前对比实验看（上面两图），除了下文要讲述的Encoder-Decoder结构外，貌似对于语言理解类的NLP任务，这种结构都是效果最好的，但是对于语言生成类的任务，这种结构效果相对很差。也就是说，这种结构比较适合做语言理解类的任务。
Decoder-AR结构
Decoder-AR结构如上图所示。它和Encoder-AE结构相同，都是采用单个的标准Transformer，主要区别在于：语言模型预训练的时候，采用AR方法，就是从左到右逐个生成单词，第i个单词Wi只能看到它之前的第1到第（i-1）个单词 Wi-1 ，不能看到后面的单词。采用这种结构的典型模型就是GPT1、GPT2、GPT3系列了。GPT3在文本生成任务方面的表现，确实是出乎意料地好。当然，这不能仅仅归功于这个结构本身，更复杂的模型和更大量的数据可能是主因。可以看出，Decoder-AR结构是个单向语言模型的单Transformer结构。
从目前对比实验看（参考Encoder-AE小节的两张效果对比图），除了Encoder-Decoder结构外，貌似对于语言生成类的任务，这种结构是效果最好的结构之一。但是相应的，语言理解类的任务，采用这种结构，效果比Encoder-AE结构差距非常明显，这也好理解，因为只看到上文看不到下文，对于很多语言理解类任务而言，信息损失很大，所以效果不好也在情理之中。也就是说，这种结构比较适合做语言生成类的任务。
Encoder-Decoder结构
既然Encoder-AE比较适合做语言理解类的任务，Encoder-AR比较适合做语言生成类的任务。那么，我们能否结合两者的优势，使得预训练模型既能做好生成类NLP任务，又能做好理解类任务呢？这是个很自然的想法，而Encoder-Decoder结构就是如此将两者结合的。最早明确提出使用Encoder-Decoder结构做通用领域预训练的，应该是微软提出的MASS模型，不过和这里介绍的做法有差异。
Encoder-Decoder结构如上图所示。这种结构在Encoder侧，单独使用一个Transformer，采用了Encoder-AE的结构。也就是说，编码阶段采用双向语言模型，任意两个单词两两可见，以更充分地编码输入信息；而在Decoder侧，使用另外一个Transformer，采用了Decoder-AR结构，从左到右逐个生成单词。
在进行预训练的时候，Encoder和Decoder会同时对不同Mask部分进行预测：Encoder侧双向语言模型生成被随机Mask掉的部分单词；Decoder侧单向语言模型从左到右生成被Mask掉的一部分连续片断。两个任务联合训练，这样Encoder和Decoder两侧都可以得到比较充分地训练。
Prefix LM
Prefix LM结构是Google T5论文中给出的叫法，这种结构最早由UniLM模型提出，我们沿用Google T5的这种称谓。如果深入分析的话，Prefix LM其实是Encoder-Decoder模型的变体：标准的Encoder-Decoder模型，Encoder和Decoder各自使用一个独立的Transformer；而Prefix LM，相当于Encoder和Decoder通过分割的方式，分享了同一个Transformer结构，Encoder部分占用左部，Decoder部分占用右部，这种分割占用是通过在Transformer内部使用Attention Mask来实现的。与标准Encoder-Decoder类似，Prefix LM在Encoder部分采用AE模式，就是任意两个单词都相互可见，Decoder部分采用AR模式，即待生成的单词可以见到Encoder侧所有单词和Decoder侧已经生成的单词，但是不能看未来尚未产生的单词，就是说是从左到右生成。
Permuted Language Model(PLM)
PLM一样采用单个Transformer模型作为主干结构，但是从训练方法上来说，是个很另类也很有创意的做法，是种“形为AR，实为AE”的做法。在语言模型预训练过程中，它看上去遵循AR从左到右的输入过程，这符合一般生成任务的外在表现形式，但是在内部通过Attention Mask，实际做法其实是AE的做法，无非是把AE的做法隐藏在Transformer内部。
总结
上面内容简述了常见的五种预训练模型结构，如果总结一下的话：
首先，从模型效果来看，Encoder-Decoder结构无论在语言理解类还是语言生成类任务中，都是效果最好的。当然，效果好的原因很可能在于模型参数多，模型容量大，而不一定是自身结构带来的优势。它的优点一个是效果好，一个是能够将理解和生成任务统一在一个框架下；缺点是参数多计算多，所以模型比较重。采用这个结构的代表模型包括Google T5和BART。
其次，因为Encoder-Decoder模型比较重，所以，如果从相对轻量结构里进行选择的话，对于语言理解类任务，Encoder-AE结构相对而言效果较好，代表模型很多，典型的比如ALBert、RoBERTa；对于语言生成类任务，Decoder-AR结构和Prefix LM结构相对而言效果较好，都可考虑，Decoder-AR的代表模型是GPT系列，Prefix LM的代表模型是UniLM。语言理解类任务应该用AE任务，语言生成类任务应该用AR任务，这点也很明确了。
谈完了模型结构，下面我们来盘点下表现比较好的预训练模型，并分析下效果好背后的原因。
参考资料
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/141517705