Survey : 预训练模型在自然语言处理的现状
Survey : 预训练模型在自然语言处理的现状
注：本篇笔记参考论文：
Pre-trained Models for Natural Language Processing: A Survey
一、Introduction
本篇论文的贡献包含以下四个方面：
1、NLP 综合概述
① 背景知识；② 模型架构；③ 预训练任务；④ 各种各样的扩展；⑤ 自适应方法；⑥ 应用；
2、NLP 新的分类法
① 表示类型；② 模型架构；③ 预训练任务类型；④ 特定场景下的延伸；
3、NLP 丰富的开源库
① 开源的PTM实施；② 可视化工具；③ 语料；④ 论文列表；
4、NLP 未来研究方向
二、Background
1、语言表示学习
① 分布式表示的核心思想是基于低维的向量值来描述一段文本；
② embedding可以分为：上下文（contextual Embeddings）和非上下文（Non-contextual Embeddings）
图-01 NLP通用神经架构
2、神经上下文编码 (Neural Contextual Encoders)
分为两类：
（1）序列模型
序列模型通常获取序列中一个word的局部语境，可以分为两类：
① 卷积模型
原理：卷机模型获得输入语句的词向量，通过卷积操作，聚合相邻词的局部信息计算出一个word的平均值；
② 循环模型
原理：循环模型通过短记忆(shorot memory)方式获取词的上下文表示，例如：LSTM, GRU。在实际应用中，双向LSTM或GRU通常从一个word的两个方向收集信息，但是，其模型效果容易受到长期依赖问题影响。
（2）非序列模型
主要是全连接层的自注意力模型，这种模式的一个成功实例是：Transformer。
Transformer也需要其它的补充模块，例如：位置编码，层归一化，残差连接，以及 逐位的前向传播网络层（feed-forward network layers）。
① 优点
Transformer可以直接为一个序列中的两个词之间的依赖建模，这种方式非常适合于语言的长距离依赖，且效果非常好。
② 缺点
Transformer属于“重“架构、更少的模型偏置，Transformer通常需要大规模训练语料，以及在小规模语料上容易过拟合。
3、为什么需要预训练？
优点主要有三个：
① 在大规模文本语料上的预训练，能够学到通用的语言表示，并有助于下游任务；
② 预训练提供了更优的模型初始化，通常能够取得更好的泛化性能，以及在目标任务上加速收敛；
③ 预训练可以被当作一类在小规模数据集上避免过拟合的正则方法。
4、NLP中预训练模型简介
（1）第一代预训练模型：预训练词向量（word embeddings）
主要是两个浅层的架构：CBOW（continuous bag-of-word 连续词袋模型）和 SG（skip-gram）
① word2vec是这些最受欢迎的模型其中之一，它能够将预训练词向量应用到NLP的不同任务重；
② GloVe也是一个用于获取预训练词向量广泛使用的模型，这些词向量基于大规模语料中全局word-word共现统计计算而来。
缺点：
① 这些语句词向量模型尝试对输入语句进行编码，形成固定维度的词向量表示，而不是根据每个token计算上下文表示。
（2）第二代预训练模型：预训练上下文编码器（contextual Encoders）
① Seq2Seq模型能够通过无监督预训练得到大幅提升。编码器encoder和解码器decoder的权重基于两个语言模型的预训练权重进行初始化，然后通过带标签的数据进行模型微调。
② 由预训练模型BiLM，ELMO等输出的上下文表示，在大量NLP任务上，取得了大幅的提升。
三、Overview of PTMs
1、预训练任务
预训练任务可以分为以下几个类别：
（1）语言模型 LM（language model）
在NLP中最常用的无监督任务是概率语言模型，这是一个经典的概率密度预估问题。尽管LM是一个通用的概念，然而在实际应用中，LM通常是指自回归LM和单向LM。
（2）掩码语言模型 MLM（masked language model）
MLM首先会把输入语句中的一些tokens覆盖掉，然后根据剩下的tokens去训练模型预测这些被掩盖的tokens。
MLM可以分为两类：
① Seq2Seq MLM
对于MLM可以使用encoder-decoder架构，encoder读取一个掩码语句，decoder有序地以自回归方式生成带有掩码的tokens。
② E-MLM（Enhanced MLM）
RoBERT通过动态masking提升BERT表现；
UniLM在三类语言模型任务上扩展了mask预测任务，分别是：单向、双向、序列到序列预测。
（3）排列语言模型 PLM（permuted language model）
PLM是一个在输入语句随机排列上的语言模型任务。从语句所有可能的随机排列结果中，随机抽取一些样本。然后，在这些语句中选择一些tokens当作target，基于剩下的tokens和targets的的自然位置，训练模型预测这些targets。
（4）去噪自编码器 DAE（denoising autoencoder）
DAE 获取部分“脏数据”，目标是恢复原始有序的输入数据。尤其对于语言，类似于标准的Transformer这样的序列到序列的模型，通常被用来重构原始的文本。
有以下几种方式构建“脏数据”（corrupt text）:
① token masking 掩码
② token deletion 删除
③ text infilling 填充
④ sentence permutation 排列
⑤ document rotation 交替
（5）对比学习 CTL（contrastive learning）
对比学习假设一些所观察的文本对语义更相似，而非随机采样的文本对。
① 损失函数：即如果文本对语义相似，则尽可能学习，缩小这个差距。
② CTL目前有如下两种方式：
NSP（Next Sentence Prediction）下一句预测
目标：训练模型区分训练语料中的两个输入语句是否前后连续（即上下句）
SOP（Sentence Order Prediction）语句顺序预测
目标：假设有两个语句A和B，正样本：A - B，负样本：B - A
2、预训练模型的分类
（1）表示类型 representation type
根据下有任务的表示方式，可以将PTM分为：上下文模型 和 非上下文模型
图-02 表示PTM列表
（2）模型架构
主要有：LSTM、Transformer encoder、Transformer decoder、Transformer-encoder-decoder
（3）预训练任务类型
（4）扩展 extensions
PTM用于各种各样的场景，种类还包含：基于知识的PTM，多模态PTM，特定领域的PTM，压缩版PTM
四、Extensions of PTMs
1、知识增强 PTM
PTM 通常从通用的、大规模的文本语料学习通用知识表示，但是，缺乏领域知识。
2、多语言 - 特定语言 PTM
基于多国语言语料进行模型训练，学习，或者基于特定语言语料学习文本表示。
3、多模态 PTM
① 视频 - 文本 PTM ；② 图像 - 文本 PTM；③ 语音 - 文本 PTM；
4、特定领域 - 特定任务 PTM
① BioBERT 用于生物领域文本；
② SciBERT 用于科学领域文本；
③ ClinicalBERT 用于医药领域文本；
5、模型压缩
模型压缩是一种潜在方式用于减少模型尺寸，提升计算效率。
目前，有六种方式用来模型压缩，分别是：
（1）模型裁剪 model pruning
裁剪掉神经网络的部分模块，例如：权重、神经元、通道、注意力头，因而，能够获得减少模型尺寸后的效果，以及加速推理时间。
（2）量化 quantization
将更高精度的参数压缩至更低精度的参数，可以理解为数据值由细到粗。
（3）参数共享 parameter sharing
将模型中的一些层的参数与其它层共享，减少总的参数量。
（4）知识蒸馏 knowledge distillation
本质上是用一个小模型（student模型）经过训练后尽量逼近一个大模型（teacher模型）的效果。
知识蒸馏可以分为以下三种类型：
① soft target probabilities 软目标概率蒸馏
用teacher的输出目标值当作训练的target，这个就是软目标的意思。然后，student模型去学习，逼近这个target。
② other knowledge 其它知识蒸馏
③ other structure 其它结构蒸馏
（5）模块替换 module replacing
用压缩后的子模块替换原始PTM中的大模块，减少模型尺寸。
（6）提前退出 early exit
减少推理时间，不用跑完整个模型的所有层，可以在执行到某些层后，立即退出。例如：DeeBERT，FastBERT，ELBERT；
图-03 压缩模型对比
五、Adapting PTMs to Downstream Tasks
1、迁移学习
① 定义：将从源任务(source task)学习到的知识经过调整后用于目标任务(target task)
② 类型：领域适应(domain adaption)，跨语言(cross-lingual)学习，多任务学习
2、 如何迁移？
（1）选择合适的预训练任务，模型架构和语料
（2）选择合适的模型层
对于一个预训练的深度模型，不同的层能够捕获到不同种类的信息，例如：位置信息，长期依赖信息，语义信息，共现信息等。
有三种选择表示的方式：
① 仅保留embedding 层 （embedding only）
仅选择预训练的静态embedding，模型的其它层仍然需要针对新的目标任务，从头开始训练。
② 最高层 （top layer）
最简单、有效的方式是将top layer的表示直接输入到特定任务的模型中。
③ 所有层（all layers）
以自动化地方式选择最优层，例如：ELMO
（3）微调 或 不微调
① 特征提取：冻结预训练模型参数；
② 模型微调：预训练参数进行微调；
3、微调策略
（1）两阶段的微调
① 阶段一：PTM被迁移到由中间任务或语料的模型微调上；
② 阶段二：迁移后的模型再基于目标任务进行微调。
（2）多任务微调
缺点：参数无效，因为每个任务都需要根据自己的特点微调（参数改变）。
（3）适应模块的微调
两种方式：self-ensemble 自集成 和 self-distillation 自蒸馏。
六、Resources of PTMs
1、资源列表
图-04
七、Future Directions
1、Upper Bound of PTMs
更大的语料、更多训练步骤，更深的模型结构，分布式训练
2、PTM 架构
打破目前PTM现有的模型架构，减少计算复杂性。