【论文精读】GPT2

摘要

在单一领域数据集上训练单一任务的模型是当前系统普遍缺乏泛化能力的主要原因，要想使用当前的架构构建出稳健的系统，可能需要多任务学习。但多任务需要多数据集，而继续扩大数据集和目标设计的规模是个难以处理的问题，所以只能采取多任务学习的其他框架。

目前在语言任务上表现最佳的多任务学习系统，利用了预训练和监督微调的结合，通用的预训练系统可以在微调后在多个任务上表现良好，但微调仍需要监督数据。故本文做出证明：

大型语言模型可以在zero-shot设置中执行下游任务，而不需要任何参数或架构修改的微调

上图为不同尺寸的预训练GPT2在zero-shot设置下执行阅读理解、机器翻译、摘要、问答任务上取得的性能。

框架

方法

本文核心方法是语言建模。语言建模通常为一组例子 ( x 1 , x 2 , . . . , x n ) (x_1,x_2,...,x_n) (x1,x2,...,xn)的无监督分布估计，其中每个例子由可变长度的符号序列 ( s 1 , s 2 , . . . , s n ) (s_1,s_2,...,s_n) (s1,s2,...,sn)组成。因为语言具有顺序性，因此通常将符号上的联合概率分解为条件概率的乘积：
p ( x ) = ∏ i = 1 n p ( s n ∣ s 1 , ... , s n − 1 ) p(x)=\prod^n_{i=1}p(s_n|s_1,\dots,s_{n-1}) p(x)=i=1∏np(sn∣s1,...,sn−1)

这种方法允许对 p ( x ) p(x) p(x)以及形如 p ( s n − k , ... , s n ∣ s 1 , ... , s n − k − 1 ) p(s_{n−k}, ..., s_n|s_1, ..., s_{n−k−1}) p(sn−k,...,sn∣s1,...,sn−k−1)的条件分布进行可行的采样和估计。若目标为学习单一任务，可以用条件概率 p ( o u t p u t ∣ i n p u t ) p(output|input) p(output∣input)表示，但一个通用系统应该能够针对具体任务并根据输入来生成输出，即 p ( o u t p u t ∣ i n p u t , t a s k ) p(output|input, task) p(output∣input,task)，故语言模型可以转换为用符号序列来指定任务，输入和输出表示。例如：

翻译任务可以写成 (translate to French，English text，French text)
阅读理解任务可以写成(answer the question，document，question，answer)

MQAN（Memory-Question-Answer Network）能够根据这种格式的例子来推断和执行多种不同任务，语言建模也能在无监督的情况下采用MQAN的方式建模。

因此问题变成了在上述配置下能否在实践中优化无监督目标直至收敛。本文实验通过分析语言模型在zero-shot设置下在各种任务上的性能证实，足够大的语言模型能够在这种配置中进行多任务学习，但学习速度比有监督的方法慢得多。

训练数据集

本文没有采用传统的文本数据集，而是创建了一个强调文档质量的网络抓虫，但是人工筛选的数据质量更高但成本也高。所以爬虫抓取了Reddit（一个社交媒体平台）上大量的外部链接，因为Reddit上的外链通常是用户认为比较有趣、有价值的，类似于一种启发式指标，低成本的保证了数据的质量。

基于此创建了数据集WebText，包含了4500万个链接的文本数据。为了从HTML响应中提取文本，使用了Dragnet和Newspaper的组合（本文中展示的所有结果使用的是初版WebText，它不包括2017年12月之后创建的链接），随后经过去重和数据清理后，获得了大约800万份文档，总计40GB的文本。

WebText中删除了所有维基百科的文档，因为它是其他数据集的常见数据源，可能会由于训练数据与测试评估任务的重叠而使分析复杂化。

上图为WebText训练集中发现的英语到法语和法语到英语翻译的例子。

输入表示

通用的语言模型应该能够处理任何字符，但是现有的语言模型通过包含各种预处理操作：lower-casing、tokenization、预设词汇表等。这些操作都会限制语言模型能够处理的字符范围。

综合考虑了OOV（out of vocabulary words）问题和基础词汇表过大（Unicode的全部符号）的问题后，使用经过调整的byte级的BPE算法。byte级的BPE算法有8位即256种不同字符组成的基础词汇表，为了避免诸如'dog'、'dog?'、'dog!'这种一个词被构建出多个版本的情况，构建策略阻止了BPE除空格外跨字符类别进行任何字节序列的合并，提高了压缩效率。

最终得到50257个词汇量的BPE，该方法可以表示任何Unicode字符组成的字符串，这使得可以在任何数据集上评估模型，无论预处理、标记化或词汇量的大小如何。

模型配置

GPT2使用了Transformer架构，在GPT1模型的基础上做了一些小改动：

调整Transformer的decoder，将Layer normalization移动到每个decoder子块的输入位置，并在最后一个decoder子块的自注意层后添加一个额外的Layer normalization
初始化时残差层的权重乘以 1 / N 1/\sqrt N 1/N ， N N N是残差层的数量
BPE词汇量扩大到50257个，batch size大小设为512
如上图，本文采用12、24、36、48四种不同层数Transformer Decoder，对应tokens序列长度分别为768、1024、1280、1600，对应参数量为117M、345M、762M、1542M的模型测试。最小的模型等同于原始GPT，第二小的模型相当于BERT的最大模型，最大的模型称之为GPT2，比GPT的参数多一个数量级。

实验

Language Modeling

上图为在WebText上预训练的不同尺寸GPT在zero-shot的设置下在其他数据集上的测试结果。观察到，GPT2在8个数据集中的7个实现了最佳水平。在小型数据集上也产生了很大的改进，例如Penn Treebank和WikiText-2。在LAMBADA和Children's Book Test等长距离依赖性的数据集中，也有了很大的改进。但是在One Billion Word Benchmark上的结果较差，这可能是因为这个数据集较大且有最破坏性的预处理（1BW把句子随机打乱，去掉了所有长距离的结构）。

Children's Book Test

儿童图书测试（CBT）是用来检验语言模型在不同类别的词上的表现，比如命名实体、名词、动词和介词。评估指标是在完形填空测试中准确地预测被省略的词的可能选项中的正确答案。例：

原始文本： I can swim, said Frog. I can swim as well as anything. So can I, said Toad. Don't you want to race me across the river? Certainly not, said Frog. I don't want to race you across the river. Suit yourself, said Toad. And he dived into the river and began to swim.
完形填空测试： Frog said he could swim as well as __________. A. anything B. anyone C. Toad D. the river
正确答案：C. Toad

上图显示了随着模型大小增加，性能稳步提高，并且在这个测试上接近人类水平。GPT2在常见名词上达到了93.3%的新水平，在命名实体上达到了89.1%。

LAMBADA

LAMBADA数据集测试系统对文本中长距离依赖关系的建模能力。任务是预测句子的最后一个单词，这需要至少50个上下文token才能成功预测。GPT-2将以往最优水平从99.8提高到了8.6的困惑度，并将预测准确性从19％提高到了52.66％。添加一个stop-word过滤器作为近似值，将准确性进一步提高到63.24％，使该任务总体上比最以往最优水平提高了4％。

Winograd Schema Challenge

Winograd Schema挑战旨在通过测量系统解决文本中的歧义的能力来衡量其进行常识推理的能力。一个Winograd模式是一对只相差一两个单词且包含歧义的句子，这些歧义在两个句子中以不同方式处理，需要常识才能正确理解。例：

句子1：The trophy would not fit in the brown suitcase because it was too big.
句子2：The trophy would not fit in the brown suitcase because it was too small.
在这两个句子中，代词"it"指代的对象不同。在第一句中，"it"指的是奖杯，而在第二句中，"it"指的是手提箱。正确解决这种歧义需要使用常识知识。

如上图，GPT2将最先进的系统（SOTA）的准确率提高到70.70％。

Reading Comprehension

CoQA数据集由7个不同领域的文档和关于文档的自然语言对话组成，测试阅读理解能力和模型回答依赖于模型理解对话问题的能力。CoQA数据集包含来自8000个对话的127000对问题和答案，这些对话涉及7个不同领域，每组对话的平均长度为15轮，每一轮对话都由问题和回答组成。例，针对《哈利·波特》的对话：

Q：书中第一句是什么？ A：Mr. and Mrs. Dursley, of number four, Privet Drive, were proud to say that they were perfectly normal, thank you very much.
Q：他们有孩子吗？ A：They had a son called Dudley.
Q：Dudley有多大？ A：He was about to turn eleven years old.

当以文档、相关对话的历史和最终token A为条件时，GPT2使用贪婪解码生成的序列在开发集上达到了55 F1，这个结果近似或超过4个baseline系统中的3个，而且GPT2没有使用其余baseline系统训练中使用的127000多个手工收集的问题答案对。

Summarization

本实验测试GPT2在CNN和每日邮报数据集上提取摘要的能力。为了诱导摘要行为，文章最后面添加TL;DR:文本，并使用k = 2的Top-k随机采样生成100个token，这鼓励了比贪婪解码更抽象的摘要，并使用生成的100个token中前3个句子作为摘要。

如上图，在常用的ROUGE1、2、L指标上，生成的摘要只接近经典神经网络baseline的性能，并且仅略微优于随机从文章中选择3个句子做摘要。当删除任务提示TL;DR:时，GPT2的性能下降了6.4分，这证明了可以用自然语言在语言模型中调用特定任务行为。

Translation

本实验测试GPT2翻译能力。输入设置为示例对的上下文，格式为english sentence = french sentence，然后在最后一个提示english sentence =之后，使用贪心解码从模型中采样，并使用第一个生成的句子作为翻译。

在 WMT-14英-法测试集上，GPT2得到了5BLEU，这比之前在无监督词汇的研究中推断出的双语词汇逐字替换还要差一些。

在 WMT-14法-英测试集上，GPT2获得了11.5BLEU。这超过了一些无监督机器翻译baseline，但仍然远远不及当前最佳无监督机器翻译方法的33.5BLEU。这项任务的表现令人感到惊讶，因为作者故意从WebText中删除了大量的非英语网页，只使用了10MB的法语数据，比先前无监督机器翻译研究使用的法语语料库小500倍。