Bert基础(九)--Bert变体之ALBERT

在接下来的几篇，我们将了解BERT的不同变体，包括ALBERT、RoBERTa、ELECTRA和SpanBERT。我们将首先了解ALBERT。ALBERT的英文全称为A Lite version of BERT，意思是BERT模型的精简版。ALBERT模型对BERT的架构做了一些改变，以尽量缩短训练时间。本章将详细介绍ALBERT的工作原理及其与BERT的不同之处。

接着，我们将了解RoBERTa模型，它是Robustly Optimized BERT Pretraining Approach（稳健优化的BERT预训练方法）的简写。RoBERTa是目前最流行的BERT变体之一，它被应用于许多先进的系统。RoBERTa的工作原理与BERT类似，但在预训练步骤上有一些变化。我们将详细探讨RoBERTa的工作原理及其与BERT的区别。

然后，我们将学习ELECTRA模型，它的英文全称为Efficiently Learning an Encoder that Classifies Token Replacements Accurately（高效训练编码器如何准确分类替换标记）。与其他BERT变体不同，ELECTRA使用一个生成器(generator)和一个判别器(discriminator)，并使用替换标记检测这一新任务进行预训练。我们将详细了解ELECTRA的具体运作方式。

最后，我们将了解SpanBERT，它被普遍应用于问答任务和关系提取任务。我们将通过探究SpanBERT的架构来了解它的工作原理。

首先，我们将了解BERT的精简版ALBERT。BERT的难点之一是它含有数以百万计的参数。BERT-base由1.1亿个参数组成，这使它很难训练，且推理时间较长。增加模型的参数可以带来益处，但它对计算资源也有更高的要求。为了解决这个问题，ALBERT应运而生。与BERT相比，ALBERT的参数更少。它使用以下两种技术减少参数的数量。

• 跨层参数共享
• 嵌入层参数因子分解

通过使用这两种技术，我们可以有效地缩短BERT模型的训练时间和推理时间。我们将首先了解这两种技术的工作原理，然后学习ALBERT是如何进行预训练的。

1、跨层参数共享

跨层参数共享是一种有趣的方法，它可以减少BERT模型的参数数量。我们知道BERT由N层编码器组成。例如，BERT-base由12层编码器组成。所有编码器层的参数将通过训练获得。但在跨层参数共享的情况下，不是学习所有编码器层的参数，而是只学习第一层编码器的参数，然后将第一层编码器的参数与其他所有编码器层共享。

下图显示了有N层编码器的BERT模型。为了避免重复，只有编码器1被展开说明。

我们已知每层编码器都是相同的，也就是说，每层编码器都包含多头注意力层和前馈网络层。所以，我们可以只学习编码器1的参数，并与其他编码器共享这套参数。在应用跨层参数共享时有以下几种方式。

• 全共享：其他编码器的所有子层共享编码器1的所有参数。
• 共享前馈网络层：只将编码器1的前馈网络层的参数与其他编码器的前馈网络层共享。
• 共享注意力层：只将编码器1的多头注意力层的参数与其他编码器的多头注意力层共享。

默认情况下，ALBERT使用全共享选项，也就是说，所有层共享编码器1的参数。现在，我们了解了跨层参数共享技术的工作原理。下面，我们将研究另一种有趣的参数缩减技术。

2、 嵌入层参数因子分解

BERT使用WordPiece词元分析器创建WordPiece标记。WordPiece标记的嵌入大小被设定为与隐藏层嵌入的大小（特征大小）相同。WordPiece嵌入是无上下文信息的特征，它是从词表的独热(one-hot)编码向量中习得的，而隐藏层嵌入是由编码器返回的有上下文信息的特征。

我们用V表示词表的大小。BERT的词表大小为30000。我们用H表示隐藏层嵌入的大小，用E表示WordPiece嵌入的大小。

为了将更多的信息编码到隐藏层嵌入中，我们通常将隐藏层嵌入的大小设置为较大的一个数。例如，在BERT-base中，隐藏层嵌入的大小被设置为768。隐藏层嵌入的维度是 V ∗ H = 30000 ∗ 768 V*H = 30000 * 768 V∗H=30000∗768。由于WordPiece嵌入的大小与隐藏层嵌入的大小相同，因此如果隐藏层嵌入的大小H为768，那么WordPiece嵌入的大小E也为768。因此，WordPiece嵌入的维度是 V ∗ E = 30000 ∗ 768 V*E = 30000 * 768 V∗E=30000∗768。也就是说，增加隐藏层嵌入的大小H也会同时增加WordPiece嵌入的大小E。

WordPiece嵌入和隐藏层嵌入都是通过训练学习的。将WordPiece嵌入的大小设置为与隐藏层嵌入的大小相同，会增加需要学习的参数数量。那么应当如何避免这种情况呢？我们可以使用嵌入层参数因子分解方法，将嵌入矩阵分解成更小的矩阵。

我们将WordPiece嵌入的大小设置为隐藏层嵌入的大小，因为我们可以直接将词表的独热编码向量投射到隐藏空间。通过分解，我们将独热编码向量投射到低维嵌入空间（ V ∗ E V*E V∗E），然后将这个低维嵌入投射到隐藏空间（ E ∗ H E*H E∗H），而不是直接将词表的独热编码向量投射到隐藏空间（ V ∗ H V*H V∗H）。也就是说，我们不是直接投射 V ∗ H V*H V∗H，而是将这一步分解为 V ∗ E V*E V∗E和 E ∗ H E*H E∗H。

举个例子，假设词表V的大小为30000，我们不必将WordPiece嵌入的大小设置为隐藏层嵌入的大小。假设WordPiece嵌入的大小E为128，隐藏层嵌入的大小H为768，我们通过以下步骤投射 V ∗ H V*H V∗H。

• 首先，将词表[插图]的独热编码向量投射到低维WordPiece嵌入的大小E，即 V ∗ E V*E V∗E。WordPiece嵌入的维度为 V ∗ E = 30000 ∗ 128 V*E = 30000*128 V∗E=30000∗128。
• 接着，将WordPiece嵌入的大小E投射到隐藏层H中，即 E ∗ H E*H E∗H，维度变为 E ∗ H = 128 ∗ 768 E*H = 128*768 E∗H=128∗768。

3、 训练ALBERT模型

与BERT类似，ALBERT模型使用英语维基百科数据集和多伦多图书语料库进行预训练。我们已知BERT是使用掩码语言模型构建任务和下句预测任务进行预训练的。与之类似，ALBERT模型是使用掩码语言模型构建任务进行预训练的，但ALBERT没有使用下句预测任务，而是使用句序预测(sentence order prediction,SOP)这一新任务。为什么不使用下句预测任务呢？

ALBERT的研究人员指出，使用下句预测任务进行预训练其实并不十分有效。与掩码语言模型构建任务相比，它并不是一个很难的任务。此外，下句预测任务将主题预测和一致性预测融合在一个任务中。为了解决这样做所导致的问题，研究人员引入了句序预测任务。句序预测基于句子间的连贯性，而不是基于主题预测。下面，让我们详细了解句序预测任务的工作原理。

3.1 句序预测任务

与下句预测任务类似，句序预测也是二分类任务。下句预测任务训练模型预测一个句子对是属于isNext类别，还是属于notNext类别，而句序预测任务则需要训练模型预测在给定的句子对中，两个句子的顺序是否被调换。我们以下面的一个句子对为例来说明这一点。

• 句子1：She cooked pasta（她做了意大利面）
• 句子2：It was delicious（它很美味）

在这两个句子中，可以看出句子2是句子1的后续句子。我们将此句子对标记为正例。我们可以通过调换句子的顺序来创建一个负例，如下所示。

• 句子1：It was delicious（它很美味）
• 句子2：She cooked pasta（她做了意大利面）

可以看到，句子顺序被调换了。我们把这一句子对标记为负例。

模型的目标是分析句子对是属于正例（句子顺序没有互换）还是负例（句子顺序互换）。我们可以使用任何语言的语料库为句序预测任务创建一个数据集。假设我们有几份文档，从一份文档中抽取两个连续的句子，将其标记为正例。接下来，将这两个句子的顺序互换，将其标记为负例。

现在我们知道，ALBERT模型是使用掩码语言模型构建任务和句序预测任务进行预训练的。与BERT相比，ALBERT模型的效率和能力如何？

4、 对比ALBERT与BERT

与BERT类似，ALBERT是通过不同的配置进行预训练的。不过与BERT相比，ALBERT的所有配置的参数都比较少。下图比较了BERT和ALBERT的不同配置。我们可以看到，BERT-large有3.4亿个参数，而ALBERT-large只有1800万个参数。

结果来自论文"ALBERT: A Lite BERT for Self-supervised Learning of Language Representations"。

与BERT一样，在预训练后，我们可以针对任何下游任务微调ALBERT模型。ALBERT-xxlarge模型在多个语言基准数据集上的性能明显优于BERT-base和BERT-large。这些数据集包括SQuAD 1.1、SQuAD 2.0、MNLI、SST-2和RACE。

因此，ALBERT模型可以作为BERT的一个很好的替代品。

5、从ALBERT中提取嵌入

有了Hugging Face的Transformers库，我们可以像使用BERT那样使用ALBERT模型。举个例子，假设需要得到句子Paris is a beautiful city中每个单词的上下文嵌入，我们来看看如何使用ALBERT实现。

导入必要的模块。

from transformers import AlbertTokenizer, AlbertModel

下载并加载预训练的ALBERT模型和词元分析器。在本例中，我们使用ALBERT-base模型。

model = AlbertModel.from_pretrained('albert-base-v2')
tokenizer = AlbertTokenizer.from_pretrained('albert-base-v2')

将句子送入词元分析器，得到预处理后的输入。

sentence = "Paris is a beautiful city"
inputs = tokenizer(sentence, return_tensors = "pt")

打印结果。

输出结果包括input_ids、token_type_ids和attention_mask，它们都被映射到输入句。输入句Paris is a beautiful city由5个标记（单词）组成，加上[CLS]和[SEP]，共有7个标记，如下所示。

{
'input_ids': tensor([[   2, 1162,   25,   21, 1632,  136,    3]]),
'token_type_ids': tensor([[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]),
'attention_mask': tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]])
}

然后，将输入送入模型并得出结果。模型返回的hidden_rep包含最后一个编码器层的所有标记的隐藏状态特征和cls_head。cls_head包含最后一个编码器层的[CLS]标记的隐藏状态特征。

hidden_rep, cls_head = model(**inputs)

我们可以像在BERT中一样获得句子中每个标记的上下文嵌入，如下所示。

• hidden_rep[0][0]包含[CLS]标记的上下文嵌入。
• hidden_rep[0][1]包含Paris标记的上下文嵌入。
• hidden_rep[0][2]包含is标记的上下文嵌入。以此类推，hidden_rep[0][6]包含[SEP]标记的上下文嵌入。

这样一来，我们就可以像使用BERT模型那样使用ALBERT模型了。此外，我们还可以针对下游任务对ALBERT模型进行微调，这与对BERT模型进行微调的方式类似。