?作者?|?機(jī)器之心編輯部

來(lái)源?|?機(jī)器之心

來(lái)自清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系、中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院等機(jī)構(gòu)的多位學(xué)者深入地研究了預(yù)訓(xùn)練模型的歷史和發(fā)展趨勢(shì)，并在這篇綜述論文中從技術(shù)的角度理清了預(yù)訓(xùn)練的來(lái)龍去脈。

BERT 、GPT 等大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型（PTM）近年來(lái)取得了巨大成功，成為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。由于復(fù)雜的預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)和巨大的模型參數(shù)，大規(guī)模 PTM 可以有效地從大量標(biāo)記和未標(biāo)記的數(shù)據(jù)中獲取知識(shí)。通過(guò)將知識(shí)存儲(chǔ)到巨大的參數(shù)中并對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行微調(diào)，巨大參數(shù)中隱式編碼的豐富知識(shí)可以使各種下游任務(wù)受益。現(xiàn)在 AI 社區(qū)的共識(shí)是采用 PTM 作為下游任務(wù)的主干，而不是從頭開(kāi)始學(xué)習(xí)模型。

本文中，來(lái)自清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系、中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院等機(jī)構(gòu)的多位學(xué)者深入研究了預(yù)訓(xùn)練模型的歷史，特別是它與遷移學(xué)習(xí)和自監(jiān)督學(xué)習(xí)的特殊關(guān)系，揭示了 PTM 在 AI 發(fā)展圖譜中的重要地位。

論文地址：

http://keg.cs.tsinghua.edu.cn/jietang/publications/AIOPEN21-Han-et-al-Pre-Trained%20Models-%20Past,%20Present%20and%20Future.pdf

清華大學(xué)教授、悟道項(xiàng)目負(fù)責(zé)人唐杰表示：這篇 40 多頁(yè)的預(yù)訓(xùn)練模型綜述基本上算是從技術(shù)上理清了預(yù)訓(xùn)練的來(lái)龍去脈。

此外，該研究還回顧了 PTM 的最新突破。這些突破得益于算力的激增和數(shù)據(jù)可用性的增加，目前正在向四個(gè)重要方向發(fā)展：設(shè)計(jì)有效的架構(gòu)、利用豐富的上下文、提高計(jì)算效率以及進(jìn)行解釋和理論分析。最后，該研究討論了關(guān)于 PTM 一系列有待解決的問(wèn)題和研究方向，并且希望他們的觀點(diǎn)能夠?qū)?PTM 的未來(lái)研究起到啟發(fā)和推動(dòng)作用。

使用大規(guī)模 PTM 后語(yǔ)言理解和語(yǔ)言生成任務(wù)上性能出現(xiàn)了顯著提升。

圖（a）近年來(lái)語(yǔ)言模型相關(guān)的發(fā)表文章的數(shù)量，圖（b）近年來(lái)應(yīng)用 NLP PTM 后模型大小和數(shù)據(jù)大小的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

背景介紹

最近 PTM 引起了研究人員的關(guān)注，但預(yù)訓(xùn)練并不是一種新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)工具。事實(shí)上，預(yù)訓(xùn)練作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一種范式已經(jīng)發(fā)展很多年了。本節(jié)介紹了 AI 領(lǐng)域中預(yù)訓(xùn)練的發(fā)展，從早期監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練到當(dāng)前的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，了解這些有助于了解 PTM 的背景。

遷移學(xué)習(xí)和有監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練

早期預(yù)訓(xùn)練的研究主要涉及遷移學(xué)習(xí)。遷移學(xué)習(xí)的研究很大程度上是因?yàn)槿藗兛梢砸揽恳郧皩W(xué)到的知識(shí)來(lái)解決新問(wèn)題，甚至取得更好的結(jié)果。更準(zhǔn)確的說(shuō)，遷移學(xué)習(xí)旨在從多個(gè)源任務(wù)中獲取重要知識(shí)，然后將這些知識(shí)應(yīng)用到目標(biāo)任務(wù)中。

在遷移學(xué)習(xí)中，源任務(wù)和目標(biāo)任務(wù)可能具有完全不同的數(shù)據(jù)域和任務(wù)設(shè)置，但處理這些任務(wù)所需的知識(shí)是一致的。一般來(lái)說(shuō)，在遷移學(xué)習(xí)中有兩種預(yù)訓(xùn)練方法被廣泛探索：特征遷移和參數(shù)遷移。

在一定程度上，表征遷移和參數(shù)遷移奠定了 PTM 的基礎(chǔ)。詞嵌入是在特征遷移框架下建立起來(lái)的，被廣泛應(yīng)用于 NLP 任務(wù)的輸入。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)和自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練

如圖 4 所示，遷移學(xué)習(xí)可以分為四個(gè)子設(shè)置：歸納（inductive）遷移學(xué)習(xí)、transductive 遷移學(xué)習(xí)、自我（self-taught）學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督遷移學(xué)習(xí)。

在這四種設(shè)置中，歸納和 transductive 設(shè)置是研究的核心，因?yàn)檫@兩種設(shè)置旨在將知識(shí)從有監(jiān)督的源任務(wù)遷移到目標(biāo)任務(wù)。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)在它們的設(shè)置上有許多相似之處。在一定程度上，自監(jiān)督學(xué)習(xí)可以看作是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的一個(gè)分支，因?yàn)樗鼈兌歼m用于未標(biāo)記的數(shù)據(jù)。然而，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)主要側(cè)重于檢測(cè)數(shù)據(jù)模式（例如，聚類、社區(qū)發(fā)現(xiàn)和異常檢測(cè)），而自監(jiān)督學(xué)習(xí)仍處于監(jiān)督設(shè)置（例如分類和生成）的范式中。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)的發(fā)展使得對(duì)大規(guī)模無(wú)監(jiān)督數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練成為可能。與作為深度學(xué)習(xí)時(shí)代 CV 基石的監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練相比，自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練在 NLP 領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。

隨著用于 NLP 任務(wù)的 PTM 的最新進(jìn)展，基于 Transformer 的 PTM 作為 NLP 任務(wù)的主干已成為流程標(biāo)準(zhǔn)。受 NLP 中自監(jiān)督學(xué)習(xí)和 Transformers 成功的啟發(fā)，一些研究人員探索了自監(jiān)督學(xué)習(xí)和 Transformers 用于 CV 任務(wù)。這些初步努力表明，自監(jiān)督學(xué)習(xí)和 Transformer 可以勝過(guò)傳統(tǒng)的有監(jiān)督 CNN。

Transformer 和表征型 PTM

論文的第三部分從占主導(dǎo)地位的基本神經(jīng)架構(gòu) Transformer 開(kāi)始，然后介紹了兩個(gè)具有里程碑意義的基于 Transformer 的 PTM，GPT 和 BERT，它們分別使用自回歸語(yǔ)言建模和自編碼語(yǔ)言建模作為預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)。這部分的最后簡(jiǎn)要回顧了 GPT 和 BERT 之后的典型變體，以揭示 PTM 的最新發(fā)展。

Transformer?

在 Transformer 之前，RNN 長(zhǎng)期以來(lái)一直是處理序列數(shù)據(jù)（尤其是自然語(yǔ)言）的典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。與 RNN 相比，Transformer 是一種編碼器 - 解碼器結(jié)構(gòu)，它應(yīng)用了自注意力機(jī)制，可以并行建模輸入序列的所有詞之間的相關(guān)性。

在 Transformer 的編碼和解碼階段，Transformer 的自注意力機(jī)制計(jì)算所有輸入詞的表征。下圖 5 給出了一個(gè)示例，其中自注意力機(jī)制準(zhǔn)確地捕獲了「Jack」和「he」之間的參考關(guān)系，從而產(chǎn)生了最高的注意力分?jǐn)?shù)。

由于突出的性質(zhì)，Transformer 逐漸成為自然語(yǔ)言理解和生成的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)架構(gòu)。

GPT

GPT 是第一個(gè)將現(xiàn)代 Transformer 架構(gòu)和自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)結(jié)合的模型。實(shí)驗(yàn)表明，GPT 在幾乎所有 NLP 任務(wù)上都取得了顯著的成功，包括自然語(yǔ)言推斷、問(wèn)答等。

在 GPT 的預(yù)訓(xùn)練階段，每個(gè)詞的條件概率由 Transformer 建模。如下圖 6 所示，對(duì)于每個(gè)詞，GPT 通過(guò)對(duì)其前一個(gè)詞應(yīng)用多頭自注意力操作，再通過(guò)按位置的前饋層來(lái)計(jì)算其概率分布。

BERT

BERT 的出現(xiàn)也極大地推動(dòng)了 PTM 領(lǐng)域的發(fā)展。理論上，不同于 GPT ，BERT 使用雙向深度 Transformer 作為主要結(jié)構(gòu)。還有兩個(gè)獨(dú)立的階段可以使 BERT 適應(yīng)特定任務(wù)，即預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)（如下圖 7 所示）。

經(jīng)過(guò)預(yù)訓(xùn)練，BERT 可以獲得下游任務(wù)的穩(wěn)健參數(shù)。GPT 之后，BERT 在 17 個(gè)不同的 NLP 任務(wù)上進(jìn)一步取得了顯著的提升，包括 SQuAD（優(yōu)于人類的表現(xiàn)）、GLUE（7.7% 的絕對(duì)提升）、MNLI（4.6% 的絕對(duì)提升）等。

GPT 和 BERT 之后

?在 GPT 和 BERT 之后也出現(xiàn)了一些改進(jìn)模型，例如 RoBERTa 和 ALBERT。

如下圖 8 所示，為了更好地從未標(biāo)記的數(shù)據(jù)中獲取知識(shí)，除了 RoBERTa 和 ALBERT 之外，近年來(lái)還提出了各種 PTM。一些工作改進(jìn)了模型架構(gòu)并探索了新的預(yù)訓(xùn)練任務(wù)，例如 XLNet、MASS、SpanBERT 和 ELECTRA。

設(shè)計(jì)有效的架構(gòu)

?在這一部分中，論文更深入地探究了 after-BERT PTM。基于 Transformer 的 PTM 的成功激發(fā)了一系列用于自然語(yǔ)言及其他序列建模的新架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，所有用于語(yǔ)言預(yù)訓(xùn)練的 after-BERT Transformer 架構(gòu)都可以被歸類為兩個(gè)動(dòng)機(jī)：統(tǒng)一序列建模和認(rèn)知啟發(fā)架構(gòu)。此外，論文還在第三小節(jié)中簡(jiǎn)述了其他重要的 BERT 變體，它們主要側(cè)重于改進(jìn)自然語(yǔ)言理解。

統(tǒng)一序列建模

研究者發(fā)現(xiàn)，一系列新架構(gòu)都在尋求將不同類型的語(yǔ)言任務(wù)與一個(gè) PTM 統(tǒng)一起來(lái)。論文中闡述了這一方面的發(fā)展，并探討了它們?yōu)樽匀徽Z(yǔ)言處理的統(tǒng)一帶來(lái)的靈感。

結(jié)合自回歸和自編碼建模，包括 XLNet (Yang 等, 2019) 和 MPNet (Song 等, 2020)。除了排列語(yǔ)言建模，還有一個(gè)方向是多任務(wù)訓(xùn)練，例如 UniLM (Dong 等, 2019)。最近，GLM（Du 等，2021）提出了一種更優(yōu)雅的方法來(lái)結(jié)合自回歸和自編碼。

有一些模型應(yīng)用泛化的編碼器 - 解碼器，包括 MASS (Song 等, 2019)、T5 (Raffel 等, 2020)、BART (Lewis 等, 2020a) 以及在典型 seq2seq 任務(wù)中指定的模型，例如 PEGASUS (Zhang 等，2020a）和 PALM（Bi 等，2020 ）。

受認(rèn)知啟發(fā)的架構(gòu)

為了追求人類水平的智能，了解我們認(rèn)知功能的宏觀架構(gòu)，包括決策、邏輯推理、反事實(shí)推理和工作記憶 (Baddeley, 1992) 至關(guān)重要。論文中概述了受認(rèn)知科學(xué)啟發(fā)的新嘗試，并重點(diǎn)闡述了可維持的工作記憶和可持續(xù)的長(zhǎng)期記憶。

?可維持的工作記憶，包括基于 Transformer 的一些架構(gòu)，例如 Transformer-XL (Dai 等, 2019)、CogQA (Ding 等, 2019) 和 CogLTX (Ding 等, 2020)。

可持續(xù)的長(zhǎng)期記憶。REALM (Guu 等, 2020) 是探索如何為T(mén)ransformer構(gòu)建可持續(xù)外部記憶的先驅(qū)。RAG (Lewis 等, 2020b) 將掩碼預(yù)訓(xùn)練擴(kuò)展到自回歸生成。

更多 PTM 變體

除了統(tǒng)一序列建模和構(gòu)建受認(rèn)知啟發(fā)的架構(gòu)以外，當(dāng)前大多數(shù)研究都集中在優(yōu)化 BERT 的架構(gòu)以提高語(yǔ)言模型在自然語(yǔ)言理解方面的性能。

一系列工作旨在改進(jìn)掩碼策略，可以將其視為某種數(shù)據(jù)增強(qiáng)（Gu 等, 2020），包括 SpanBERT (Joshi 等, 2020)、ERNIE (Sun 等, 2019b,c)、NEZHA (Wei 等, 2019) 和 Whole Word Masking (Cui 等, 2019)。

另一個(gè)有趣的做法是將掩碼預(yù)測(cè)目標(biāo)更改為更困難的目標(biāo)，例如 ELECTRA（Clark 等，2020）。

利用多源數(shù)據(jù)

本節(jié)介紹了一些利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的典型 PTM，包括多語(yǔ)言 PTM、多模態(tài) PTM 和知識(shí)增強(qiáng)型 PTM。

多語(yǔ)言預(yù)訓(xùn)練

在大規(guī)模英語(yǔ)語(yǔ)料庫(kù)上訓(xùn)練的語(yǔ)言模型在許多基準(zhǔn)測(cè)試中取得了巨大成功。然而，我們生活在一個(gè)多語(yǔ)言的世界中，并且由于所需的成本和數(shù)據(jù)量，為每種語(yǔ)言訓(xùn)練一個(gè)大型語(yǔ)言模型并不是一個(gè)最優(yōu)的解決方案。因此，訓(xùn)練一個(gè)模型來(lái)學(xué)習(xí)多語(yǔ)言表征而不是單語(yǔ)表征可能是更好的方法。

在 BERT 之前，一些研究人員已經(jīng)探索了多語(yǔ)言表征。學(xué)習(xí)多語(yǔ)言表征主要有兩種方法：一種是通過(guò)參數(shù)共享來(lái)學(xué)習(xí)；另一種是學(xué)習(xí)與語(yǔ)言無(wú)關(guān)的約束。這兩種方式都使模型能夠應(yīng)用于多語(yǔ)言場(chǎng)景，但僅限于特定任務(wù)。

BERT 的出現(xiàn)表明，先對(duì)一般的自監(jiān)督任務(wù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后對(duì)特定的下游任務(wù)進(jìn)行微調(diào)的框架是可行的。這促使研究人員設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)預(yù)訓(xùn)練具有多功能的多語(yǔ)言模型。根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，多語(yǔ)言任務(wù)可分為理解任務(wù)和生成任務(wù)。

一些理解任務(wù)首先被用在非平行多語(yǔ)言語(yǔ)料庫(kù)上預(yù)訓(xùn)練多語(yǔ)言 PTM。然而，MMLM（ multilingual masked language modeling ）任務(wù)不能很好地利用平行語(yǔ)料庫(kù)。

除了 TLM（ translation language modeling ），還有一些其他有效的方法可以從平行語(yǔ)料庫(kù)中學(xué)習(xí)多語(yǔ)言表征，如 Unicoder（Huang et al.，2019a）、ALM（Yang et al.，2020）、InfoXLM（Chi et al.，2020b）、HICTL（Wei et al.，2021）和 ERNIE-M（Ouyang et al.，2020）。

此外，該研究還廣泛探索了多語(yǔ)言 PTM 的生成模型，如 MASS（Song et al，2019 年）、mBART（Liu et al，2020c）。

多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練

基于圖像 - 文本的 PTM，目前的解決方案是采用視覺(jué) - 語(yǔ)言 BERT。ViLBERT（Lu et al，2019 年）是一個(gè)學(xué)習(xí)圖像和語(yǔ)言的 task-agnostic 聯(lián)合表征模型。它使用三個(gè)預(yù)訓(xùn)練任務(wù)：MLM、句子 - 圖像對(duì)齊（SIA）和掩碼區(qū)域分類（MRC）。另一方面，VisualBERT（Li et al，2019 年）擴(kuò)展了 BERT 架構(gòu)。

一些多模態(tài) PTM 設(shè)計(jì)用于解決特定任務(wù)，如 VQA。B2T2（Alberti et al，2019 年）是主要關(guān)注 VQA 的模型。LP（Zhou et al，2020a）專注于 VQA 和圖像字幕。此外，UNITER（Chen et al，2020e）學(xué)習(xí)兩種模式之間的統(tǒng)一表征。

OpenAI 的 DALLE (Ramesh et al., 2021) 、清華大學(xué)和 BAAI 的 CogView (Ding et al., 2021) 向條件零樣本圖像生成邁出了更大的一步。

最近，CLIP (Radford et al., 2021) 和 WenLan (Huo et al., 2021) 探索擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模數(shù)據(jù)以進(jìn)行 V&L 預(yù)訓(xùn)練并取得了巨大成功。

增強(qiáng)知識(shí)預(yù)訓(xùn)練

結(jié)構(gòu)化知識(shí)的典型形式是知識(shí)圖譜。許多工作試圖通過(guò)集成實(shí)體和關(guān)系嵌入或其與文本的對(duì)齊來(lái)增強(qiáng) PTM。?

Wang et al.(2021) 基于維基數(shù)據(jù)實(shí)體描述的預(yù)訓(xùn)練模型，將語(yǔ)言模型損失和知識(shí)嵌入損失結(jié)合在一起以獲得知識(shí)增強(qiáng)表征。一個(gè)有趣的嘗試是 OAGBERT (Liu et al., 2021a)，它在 OAG（open academic graph） (Zhang et al., 2019a) 中集成了異構(gòu)結(jié)構(gòu)知識(shí)，并且涵蓋了 7 億個(gè)異構(gòu)實(shí)體和 20 億個(gè)關(guān)系。

與結(jié)構(gòu)化知識(shí)相比，非結(jié)構(gòu)化知識(shí)更完整，但噪聲也更大。

六至八章內(nèi)容概述

提升計(jì)算效率

研究者從以下三個(gè)方面介紹了如何提升計(jì)算效率：

• 系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，包括單設(shè)備優(yōu)化和多設(shè)備優(yōu)化；

• 高效預(yù)訓(xùn)練，包括高效訓(xùn)練方法和高效模型架構(gòu)；

• 模型壓縮，包括參數(shù)共享、模型剪枝、知識(shí)蒸餾和模型量化。

解釋和理論分析

在介紹了 PTM 在各種 NLP 任務(wù)上的卓越性能之外，研究者還花篇幅解釋了 PTM 的行為，包括理解 PTM 的工作方式，揭示 PTM 捕獲的模式。他們探索了 PTM 的幾個(gè)重要屬性——知識(shí)、穩(wěn)健性和結(jié)構(gòu)稀疏性 / 模塊性，還回顧了 PTM 理論分析方面的開(kāi)創(chuàng)性工作。

關(guān)于 PTM 的知識(shí)，PTM 捕獲的隱式知識(shí)大致分為兩類，分別是語(yǔ)言知識(shí)和世界知識(shí)。關(guān)于 PTM 的穩(wěn)健性，當(dāng)研究人員為現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用部署 PTM 時(shí)，穩(wěn)健性已經(jīng)成為了一個(gè)嚴(yán)重的安全威脅。

未來(lái)方向

最后，研究者指出，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，未來(lái) PTM 可以從以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步發(fā)展：

• 架構(gòu)和預(yù)訓(xùn)練方法

• 多語(yǔ)言和多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練

• 計(jì)算效率

• 理論基礎(chǔ)

• 模型邊緣學(xué)習(xí)

• 認(rèn)知學(xué)習(xí)

• 新型應(yīng)用。

事實(shí)上，研究社區(qū)在以上幾個(gè)方向上都做了大量努力，也取得了一些最新的進(jìn)展。但應(yīng)看到，還有一些問(wèn)題需要得到進(jìn)一步解決。

更多細(xì)節(jié)內(nèi)容請(qǐng)參考原論文。

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總結(jié)

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