近日，谷歌宣佈將 AI 語言模型 ELECTRA 作為 TensorFlow 之上的開源模型釋出。該方法用到了一種稱為替換令牌檢測（RTD）的新預訓練任務，使其能夠在從所有輸入位置學習的同時，訓練雙向模型。

並且，在同等計算資源的情況下，ELECTRA 的效能優於現有方法；而在引數量只有 1/30 的情況下，取得不遜於最先進 BERT 系列模型的效能。

文 | Google Blog

譯 | 楊鯉萍

1、語言模型現狀與瓶頸

近年來，語言預訓練模型的最新進展使得自然語言處理也取得了重大進展，其中不乏一些最先進的模型，例如：BERT，RoBERTa，XLNet，ALBERT 和 T5 等。

這些方法雖然在設計上有所不同，但在利用特定的 NLP 任務（例如：情感分析和問題解答等）進行微調時，有著相同思路，即：利用大量未標記的文字，來構建語言理解的通用模型。

因此，現有的預訓練方法通常分為兩類：語言模型（LM），例如：GPT。該類方法按照從左到右的順序處理輸入文字，然後在給定先前上下文的情況下，預測下一個單詞。

另一個則是掩碼語言模型（MLM），例如：BERT，RoBERTa 和 ALBERT。這類模型它們分別預測輸入中已被遮蔽的少量單詞內容。MLM 相比 LM 而言，具有雙向預測的優勢，因為它可以看到要預測的單詞左側和右側的文字。

但 MLM 模型預測也有缺點，這些模型的預測僅限於輸入標記的某個很小的子集（被掩蓋部分的 15%），從而減少了他們從每個句子中獲得資訊的量，增加了計算成本。

現有的預訓練方法及其缺點。箭頭指示哪些標記用於生成給定的輸出表示形式（矩形）。左：傳統語言模型（例如 GPT）僅使用當前單詞左側的上下文。右：掩碼語言模型（例如 BERT）從左到右都使用上下文，但是對於每個輸入僅預測一小部分單詞新型預訓練模型 ELECTRA。

2、新型預訓練模型 ELECTRA

正是為了克服以上兩類語言模型存在的缺點，谷歌提出了 ELECTRA（Efficiently Learning an Encoder that Classifies Token Replacements Accurately）語言模型。這是一種新型預訓練方法，其關鍵點在於將預訓練文字編碼器作為識別符號而非生成器，來處理現存語言模型的問題。

論文地址：https://openreview.net/pdf?id=r1xMH1BtvB

在相同的模型大小、資料、計算量的情況下，該方法的效能顯著優於 MLM 類的方法，例如 BERT 和 XLNet；而且，ELECTRA 小模型僅需要在 1 塊 GPU 訓練 4 天即可得到。

具體實驗資料顯示，這個小模型比 BERT 小模型在 GLUE 得分上 高 5 個點，甚至比更大的 GPT 模型（該模型使用 30 倍以上的計算能力）效果還要好。

而 ELECTRA 在使用少於 1/4 的計算量時，可以在 GLUE 自然語言理解基準上達到 RoBERTa 和 XLNet 的效能。如果使用更多的計算機來訓練大型 ELECTRA，該模型在 SQuAD 2.0 的問答資料集和語言理解任務的排行榜上，獲得了最先進的表現。（具體資料見第四小節）

3、核心思想——替換令牌檢測

ELECTRA 使用一種稱為替換令牌檢測（RTD）的新預訓練任務，該任務在從所有輸入位置（如：LM）學習的同時，訓練雙向模型（如：MLM）。

具體而言，ELECTRA 的目標是學習區分輸入的詞。它不使用掩碼，而是從一個建議分佈中取樣詞來替換輸入，這解決了掩碼帶來的預訓練和 fine-tune 不一致的問題。

然後模型再訓練一個判別器，來預測每個詞是原始詞還是替換詞。而判別器的一個優點則是：模型從輸入的所有詞中學習，而不是像 MLM 那樣，僅使用掩蓋的詞，因此計算更加有效。

正如很多開發者聯想到的對抗學習方法，ELECTRA 確實受到到生成對抗網路的啟發（GAN）。但不同的是，模型採用的是最大似然而非對抗學習。

例如下圖中，單詞「cooked」可以替換為「ate」。儘管這有些道理，但它並不適合整個上下文。預訓練任務需要模型（即鑑別器）來確定原始輸入中的哪些標記已被替換或保持相同。

正是由於該模型的二進位制分類任務適用於每個輸入單詞，而非僅有少量的掩碼單詞（在 BERT 樣式的模型中為 15％），因此，RTD 方法的效率比 MLM 高。這也解釋了為什麼 ELECTRA 只需更少的示例，就可以達到與其它語言模型相同效能的原因。

其中，替換令牌來自生成器的神經網路。生成器的目標是訓練掩碼語言模型，即給定輸入序列後，按照一定的比例（通常 15%）將輸入中的詞替換成掩碼；然後通過網路得到向量表示；之後再採用 softmax 層，來預測輸入序列中掩蓋位置的詞。

儘管生成器的結構類似於 GAN，但由於難以將該方法應用於文字任務，因此得到的訓練目標函式為掩蓋詞的最大似然。

之後，生成器和判別器共享相同的輸入詞嵌入。判別器的目標是判斷輸入序列每個位置的詞是否被生成器替換，如果與原始輸入序列對應位置的詞不相同，就判別為已替換。

4、具體研究結果對比

研究人員將 ELECTRA 與其他最新的 NLP 模型進行了比較，發現在給定相同的計算預算的情況下，它與以前的方法相比有了實質性的改進，其效能與 RoBERTa 和 XLNet 相當，而使用的計算量不到 1/4。

X 軸顯示用於訓練模型的計算量（以 FLOPs 為單位），y 軸顯示 dev GLUE 得分。與現有的預訓練 NLP 模型相比，ELECTRA 的學習效率要高得多。但值得注意的是，目前 GLUE 上的最佳模型（例如 T5（11B））不適合該圖，因為它們使用的計算量比其他模型多得多（比 RoBERTa 多 10 倍）。

為了進一步提高效率，研究人員嘗試了一個小型的 ELECTRA 模型，該模型可以在 4 天的時間內在單個 GPU 上進行良好的訓練。

儘管無法達到與需要訓練許多 TPU 的大型模型相同的精度，但 ELECTRA-small 的效能仍然很好，甚至比 GPT 還要好，而所需的計算量卻只有其三分之一。

之後，為了測試這一結果是否能大規模實施，研究人員使用了更多的計算量（大約與 RoBERTa 相同的數量，大約是 T5 的 10％）訓練了一個大型 ELECTRA 模型。

研究人員將大型 ELECTRA、RoBERTa、XLNet、BERT 和 ALBERT 模型在 SQuAD 2.0 問題回答資料集的表現做了測試，結果如下表所示；可以看到在 GLUE 排行榜上，ELECTRA 的表現優於其它所有模型。

但相比大型 T5-11b 模型，後者在 GLUE 上的得分仍然更高。但值得注意的是，ELECTRA 的大小是其三分之一，並使用 10％的計算進行訓練。

目前，用於預訓練 ELECTRA 並在下游任務上對其進行微調的程式碼已釋出，當前支援的任務包括：文字分類、問題解答和序列標記。

該程式碼支援在一個 GPU 上快速訓練小型 ELECTRA 模型。之後，谷歌還計劃釋出適用於 ELECTRA-Large，ELECTRA-Base 和 ELECTRA-Small 的預訓練程式碼。（ELECTRA 模型目前僅支援英語，後續將釋出更多語言版本）

原文地址：

https://ai.googleblog.com/2020/03/more-efficient-nlp-model-pre-training.html

GitHub 地址：

https://github.com/google-research/electra

https://www.toutiao.com/i6805105954686763531/