NLP预训练模型4 -- 训练方法优化（RoBERTa、T5）_roberta参数量

1 背景
上文 NLP预训练模型3 – 预训练任务优化（ERNIE、SpanBERT）我们从预训练任务的角度讲解了如何对BERT进行优化，本文我们从训练方法的角度来讲解BERT优化。

训练方法包括数据语料、文本预处理、超参调整等。

BERT使用的一套超参，比如batch_size、training steps、optimizer、learning rate，是否还有优化的空间呢？每个深度学习调参侠都知道答案是显然的。虽然BERT在大模型大数据的作用下，对超参不是很敏感，但超参调整始终是模型优化一个绕不开的话题。
BERT使用了BooksCorpus和English Wikipedia，总共16G的数据，我们是否还能提供更多数据来提高performance呢？答案也是显然的，深度学习非常依赖大数据，more data，more performance。数据量越大，模型可学习的信息也就越多，performance也就越强。
本文从数据语料和超参调整的角度，来讲解怎么通过训练方法优化来提升预训练模型performance。训练方法优化这个角度始终让人感觉不像模型结构优化、预训练任务优化那样fancy，比如RoBERTa就被ICLR拒稿了。但个人认为，在工业界应用中，还是效果为王。不管白猫黑猫，只要抓到耗子就是好猫嘛。况且Google、Facebook耗费大量人力物力，大力出奇迹搞出来的预训练模型，在工业界下游任务中确实很香。本文主要以RoBERta和T5两个模型为例，进行分析。
2 RoBERTa

论文信息：2019年7月，Facebook & 华盛顿大学
论文地址 https://arxiv.org/abs/1907.11692
代码和模型地址 https://github.com/pytorch/fairseq

2.1 主要创新
2.1.1 Dynamic Masking
BERT在预处理阶段，对sequence进行了随机mask。训练时，同一个sequence中的mask，在不同的epochs中是不会改变的，也就是static masking静态掩码。这种固定mask的方式，不利于学习到更多不同信息。RoBERTa采用了动态掩码，dynamic Masking的方式，步骤为

1、将原始语料复制10份/2、每一份语料随机选择15%的token进行mask，[mask]、replace、keep的比例仍然为80%、10%、10%。
通过这种类似于cross-validation的方式，使得每一份语料产生了不同的mask，从而可以学习到更多不同信息。总共训练40个epochs，10份语料的情况下，每份语料应用到4个epochs中。这种方式就叫dynamic masking。

动态掩码是否有效果呢，实验证明，还是能提高一点performance的。

如上所示，效果不算很明显，原因应该是BERT包含的数据本身就很大了，信息量已经很充足了，故dynamic masking带来的信息增益不是很明显。

2.1.2 without NSP
在SpanBERT中，我们也提到过NSP反而会带来一定的副作用，主要原因为

1、两个语句拼接起来降低了单个语句长度（可能被截断），而长语句有利于模型学到更多信息，有利于预测mask
2、NSP中的负样本，与当前语句关联度不大，不利于预测当前语句的mask。也就是NSP使得MLM任务引入了噪声
RoBERTa对有没有NSP，以及如何构建sequence，也进行了充足的实验，如下

作者进行了四种不同的sequence构造方法，进行了对比实验，如下：

1、SEGMENT-PAIR + NSP：原始BERT的做法，仍然采用MLM + NSP，segment为来自同一个文档，或不同文档的多个句子，最后按512截断。两部分构成pair。

2、SENTENCE-PAIR + NSP：MLM + NSP，两个来自同一文档或不同文档的，单个句子。这样会大大缩短sequence的长度，经常远远小于512 token。从上表也可以看到，其效果最差。故尽量使sequence长度更长，容纳更多信息，有助于提升模型performance。
3、FULL-SENTENCES：去掉了NSP，不构造语句对pair。来自同一文档或不同文档的多个句子，按照512截断。从实验中可见，去掉NSP有助于提升模型效果，原因就是最上面分析的两点。
4、DOC-SENTENCES：去掉了NSP，与FULL-SENTENCES不同的是，它的句子全部来自于同一个文档。从实验中可见，来自同一文档效果更好，这是因为减少了MLM的噪音。
RoBERTa的各种实验，基本是给NSP判了死刑。后面越来越多文章，都要么舍弃了NSP，要么对其进行了改造。

2.1.3 超参优化，增大batch size
RoBERTa对超参也进行了充分实验，增大batch size和训练迭代次数，有助于提升模型performance。

在相同总训练step的情况下，batch size的增加可以提升模型效果。这也很容易理解，数据量大的情况下，适当增加batch size可以有助于模型跳出局部最优点，单次训练信息量更充足，视野更宽阔。甚至有人还在尝试32k的batch size，只能说有矿真好。

 

作者对总训练次数steps也做了分析，如下表，在相同data和batch size情况下，对比了总训练次数steps，分别在100k、300k、500k下的效果，最后还是steps=500k效果最好。毕竟训练充分，大力出奇迹嘛。但也要注意不要过拟合了。

 

2.1.4 增大数据量
原始BERT采用了BooksCorpus和English Wiki语料，总共16GB。XLNet认为是13G，主要差别在于二者English Wiki的预处理过滤方法不同，可以基本认为是一个意思。RoBERTa将原始语料增大到了160GB。主要包括

1、BERT原始语料，16GB。原始语料来自BooksCorpus和English Wiki，质量很高。
2、CC-NEWS，76GB。新闻语料实时性很强，有助于学习到很多新的实体和知识。
3、OPENWEBTEXT，38GB。社区新闻语料，有助于学习到真实人类口语化表达，以及新的知识。提升模型泛化能力
4、STORIES，31GB。故事风格的语料。
增大数据量带来的效果还是很明显的，上面那张表中对比了16GB和160GB语料下的模型效果。增大数据量能带来一定的模型效果提升。

2.1.5 文本编码
原始BERT采用字符级别的BPE编码，英文vocab size为30k。容易出现UNK问题，影响模型效果。RoBERTa采用了Byte级别的BPE词汇表，vocab size为50k。vocab size的增加使得模型参数量有所增加，BERT-base增加了15M，BERT-large增加了20M。但也提升了一定的效果。

2.2 实验结果
RoBERTa大力出奇迹，朴实无华的方法，带来了模型效果较大的提升，在GLUE上的表现远超BERT，如下表。

同时在SQuAD和RACE上效果也是比BERT，提升了很多。

 

RoBERTa虽然创新点不是很fancy，其大力出奇迹的方法也没法复现，但确实大大提升了下游任务的performance。也使得各种比赛中，RoBERTa的应用越来越广泛。

3 T5

 

论文信息：2019年10月，谷歌
论文地址 https://arxiv.org/abs/1910.10683
代码和模型地址 https://github.com/google-research/text-to-text-transfer-transformer

3.1 主要创新
3.1.1 任务框架
T5创造性的将每个NLP任务，包括NLU和NLG，统一成了"text-to-text"的问题。如下图在机器翻译、文本分类、文本相似度、文本摘要四个不同任务上，添加不同的prefix在输入上，即可通过生成模型得到输出结果。

 

3.1.2 模型结构
由于统一成了生成问题，故采用了原版Transformer的encoder和decoder。而不像BERT仅采用了Transformer Encoder。不同之处在于采用了position embedding采用了相对位置编码。根据self-attention中「key」和「query」之间的偏置生成一个不同的position embedding，而不是固定的位置编码。

3.1.3 C4语料
作为大力出奇迹的典范，T5怎么可能会少了数据上的创新。T5采用了750GB的C4语料（**Colossal Clean Crawled Corpus **），大大超过了RoBERTa的160GB。对爬取到的网络数据，进行了很细致的清洗，大大提高了语料数量和质量。清洗过程我们就不赘述了。

3.1.4 训练方法
在训练方法层面，T5集众家之所长，进行了充分的对比实验，可谓是良心之作。

1、参考SpanBERT，采用span masking的方式，mask 15% token，span平均长度为3.
2、训练steps更长，1M steps

3、使用multi-task，在无监督数据中混入一些有监督任务数据
4、fine-tune阶段参考了MT-DNN，先利用glue和super-glue任务，进行multi-task精调，减少了过拟合，并充分利用了有监督数据。然后在各个特定任务上单独精调。

5、seq2seq的decoder，大部分采用了greedy decoding，对于机器翻译等语句较长的采用了beam search
3.2 实验结果
3.2.1 模型参数量
T5最大模型可达110亿参数，是BERT-base的100倍。真的是大力出奇迹啊。

为了适应不同使用场景，T5有五个不同size。Small、Base、Large、3B 和 11B， 模型参数量分别为 6000 万、2.2 亿、7.7 亿、30 亿和 110 亿。

 

3.2.2 GLUE结果
T5五个不同size模型在glue上的结果如下，11B参数量的T5模型，刷新了大多数任务的SOTA。

4 其他方法和总结
增加语料数据和精细化调参，其他论文和模型也有一定的体现。比如XLNet采用了126GB数据，ERNIE(baidu)增加了很多中文语料。语料数据的增加和精细化调参，对提升模型performance还是很重要的。虽然不是那么fancy，而且需要大量人力物力投入，但还是大大提升了下游任务效果，造福了工业界。