大语言模型-RetroMAE-检索预训练模型

一、背景信息：

RetroMAE是2022年10月由北邮和华为提出的一种密集检索预训练策略。

RetroMAE主要应用于检索模型的预训练，模型架构为非对称的Encoder-Decode结构。

二、整体结构：

RetroMAE的模型架构为非对称的Encoder-Decode结构。

Encoder部分： 是由类似于BERT的Encoder组成(12层Transformer的Encoder)，用于生成句向量。
Decoder部分： 仅有由一层类似于Transformer的Decoder构成，用于重建句子。

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1、token级别的预训练：比如MLM或者Seq2Seq，难以获得高质量句向量。
2、对比学习：受限于数据增强的质量，需要大量负样本。
3、自重建方法：不受数据增强跟负样本采样策略的影响，但对对编码质量要求高，训练数据也要求被充分利用到。

RetroMAE中的掩码

在Encoder阶段，对sentence进行15%～30%的mask，通过Encoder得到句子向量的表示(这里用Encoder的 $CLS$ token表示)。

在Decoder阶段，句子被进一步加大噪音，mask的比例为50%～70%，通过增加mask的比例来提升任务的复杂性。

而整个预训练的任务则为：在encoder阶段，对被掩码的部分进行重构，也就是MLM(Masked Language Modeling)，在decoder阶段对整个句子进行重构，整体loss函数为:

三、Encoder模块

假设，句子输入为X；Encoder部分随机mask(15%～30%)后为 X ~ e n c \tilde{X} {enc} X~enc；Encoder编码器用 Φ e n c ( ) \Phi{enc}() Φenc()表示。

因此经过Encoder后得到的句子向量: h X ~ ← Φ e n c ( X ~ e n c ) {h} {\tilde{X}} \gets \Phi{enc}(\tilde{X} _{enc}) hX~←Φenc(X~enc)

四、Decoder模块

相比于Transformer中的Decoder结构，RetroMAE做了一些改进，并将其称为Enhanced-Decoder。

Enhanced-Decoder的核心想法，为以下两点：

可以从输入数据中获取更多信息
可以根据不同来源的数据训练模型

因此，Enhanced-Decoder在attention模块同时使用了两个输入流 H 1 、 H 2 H_{1}、H_{2} H1、H2；输入流 H 1 H_{1} H1保留了较多输入数据的信息。
H 1 ← $h X \~ + p 0 , . . . , h X \~ + p N$ H 2 ← $h X \~ , e x 1 + p 0 , . . . , e x N + p N$ \begin{matrix} H_{1} \gets $h_{\\tilde{X}}+p_{0},...,h_{\\tilde{X}}+p_{N}$ \\H_{2} \gets $h_{\\tilde{X}}, e_{x_{1}}+p_{0},...,e_{x_{N}}+p_{N}$ \end{matrix} H1← $hX\~+p0,...,hX\~+pN$ H2← $hX\~,ex1+p0,...,exN+pN$

其中，句子输入为X；Decoder部分随机mask(50%～70%)后为 X ~ d e c \tilde{X} {dec} X~dec; e x i e{x_{i}} exi表示没有掩码过的词向量； p i p_{i} pi表示对应的位置向量;

此外，因为Transformer中的attention的掩码矩阵是一个的下三角矩阵优势在于增强模型生成能力，而检索通常更关注于模型的表示能力需要看到上下文，因此这里引入了Position-Specific Attention Mask。

继而Enhanced-Decoder的attention层为以下形式：

Q = H 1 W Q Q = H_{1}W_{Q} Q=H1WQ , K = H 2 W K K=H_{2}W_{K} K=H2WK , V = H 2 W V V=H_{2}W_{V} V=H2WV

M i j = { 0 ， a t t e n d e d − ∞ ， m a s k e d M_{ij}=\left\{\begin{matrix}0，attended \\-∞，masked \end{matrix}\right. Mij={0，attended−∞，masked

A = s o f t m a x ( Q T K d + M ) V A = softmax(\frac{Q^{T}K}{\sqrt{d}}+M) V A=softmax(d QTK+M)V

最终RetroMAE的损失由encoder部分的MLM损失，deocder部分自重建的交叉熵损失两部分相加得到。
L d e c = ∑ x i ∈ X C E ( X i ∣ Φ d e c ( X ~ d e c ) ) L_{dec} = \sum_{x_{i}\in X}^{} CE(X_{i}| \Phi_{dec}(\tilde{X} {dec})) Ldec=∑xi∈XCE(Xi∣Φdec(X~dec))
L = L e n c + L d e c L = L{enc}+L_{dec} L=Lenc+Ldec

其中， L e n c L_{enc} Lenc为由encoder部分的损失， L d e c L_{dec} Ldec为由deocder部分的损失，CE为交叉熵损失函数。

Reference

RetroMAE: Pre-Training Retrieval-oriented Language Models Via Masked Auto-Encoder