Transformer的復雜度和高效設計及Transformer的應用

來自：AI部落聯盟

前言

這次我們總結一下ACL2021中的Transformers，看看2021年了，NLPer在如何使用、應用、改進、分析Transformers，希望可以對大家產生idea有幫助。

本文涉及25篇Transformer相關的文章，對原文感興趣的讀者可以關注公眾號回復： ACL2021Transformers，下載本文所涉及的所有文章～本文主要內容：

前言

ACL 2021中的25個Transformers模型

總結

ACL 2021中的25個Transformers模型

NLP中的層次結構Hi-Transformer： Hierarchical Interactive Transformer for Efficient and Effective Long Document Modeling

高效和長文本transformer模型設計，短文。如上圖所示，這篇文章主要提出一種解決長文本任務的transformer模型：首先分別encoder sentence表示，然后再encod document表示，最后再重新encde sentence表示，總體上比較簡單的local+global設計。

R2D2： Recursive Transformer based on Differentiable Tree for Interpretable Hierarchical Language Modeling

將Transformer和語言文字層次結構相結合的一篇文章。本文基于可差分CKY樹，提出一種recursive Transformer模型，用于捕獲語言中的層次結構（words， Phrases， sentences），與目前直接堆疊Transformer Layer的模型進行對比（例如BERT，Albert）除了可以學好表示，還能學到tree結構，與之前基于CKY的parser模型，Tree-LSTM模型比較相似。為了能讓recursive Transformer進行快速、大規模訓練，文章也相應提出了優化算法。Recursive Transformer語言模型實驗是基于WikiText-2做的，效果還可以。為了凸顯該模型的tree 結構性，文章進一步做了無監督Constituency Parse，顯示了該模型結構在學習語言層次結構上的能力。

Transformer復雜度和高效設計IrEne： Interpretable Energy Prediction for Transformers

本文預測Transformer運行所消耗的能量，很有趣。首先，這篇文章將Transformer模型結構按照Tree進行拆解：整個模型是root節點（例如BERT），root節點下逐步拆分出子模塊（比如BertSelf Attention），最終子模塊由最基本的ML單元組成（例如全連接Dense網絡），最終自底向上，先預測單個ML單元的能量消耗，再匯總計算出整體模型的能量消耗。為了驗證該方法的有效性，該文還創建了一個數據集來評測Transformer-based模型的能量消耗。IrEne的代碼在：https://github.com/StonyBrookNLP/irene

Optimizing Deeper Transformers on Small Datasets

小數據集+更深更大的模型，有點反常識的感覺，不過也很有趣?？傮w上，這篇文章通過合適的模型初始化方式和優化算法，在很小很難的Text-to-SQL任務上取得了不錯的結果，這篇文章的核心是Data-dependent Transformer Fixed-update，那這個DT-Fixup怎么做的呢？比如使用的模型是roberta，在roberta上面再堆疊個幾層隨機Transformer：

對于模型中非預訓練模型初始化的部分，使用Xavier initialization進行初始化。

對于模型中非預訓練模型初始化的部分，將學習率的warm-up和所有的layer normalization去掉。

對所有的樣本進行一遍前向傳播獲得輸入的一個估計：，是roberta輸出的表示。

根據得到的，在新疊加的每層Transformer上，對attention和權重矩陣進行設計好的縮放。

文章理論推導較多，建議感興趣的同學下載文章后閱讀原文進行學習。

READONCE Transformers： Reusable Representations of Text for Transformers

Transformer推理提速。文章的思路是：無論是問答任務，摘要生成任務還是其他任務里的不同樣本可能會多次涉及到同一個wiki段落，這個時候不用每次都重新encode這個wiki段落，可以只encode這個段落一次然后re-use。文章思路和另一個SIGIR 2020的很像：DC-BERT： Decoupling Question and Document for Efficient Contextual Encoding

Parameter-efficient Multi-task Fine-tuning for Transformers via Shared Hypernetworks

parameter-efficient相關的一篇文章，通過多任務學習和特定的模型參數共享來達到更好的遷移學習效果?？傮w上模型是make sense的。如上圖所示，該論文基于adapter類似的結構設計來幫助下游任務finetune，但adapter處的設計與之前的研究不同的是：給予task id， adapter位置，layer id動態計算所有layer的adapter參數。代碼開源在：https://github.com/rabeehk/hyperformer

Length-Adaptive Transformer： Train Once with Length Drop， Use Anytime with Search

高效Transformer設計。文章的主要亮點是：1. transformer中間層的長度自適應，可以減少參數量。2. 減少的參數所對應的token表示可以被restore，因此可以用來做抽取式QA任務。文章在文本分類和QA任務上進行了驗證。

H-Transformer-1D： Fast One-Dimensional Hierarchical Attention for Sequences

高效transformer設計。文章借鑒數值分析領域的：Hierarchical Matrix和Multigrid method，提出了一種hierarchical attention結構，該結構是線性時間復雜度和空間復雜度，并進一步優化到只使用dense layer運算進行實現。

Transformer分析和可解釋性Personalized Transformer for Explainable Recommendation

推薦、可解釋性、NLP相結合的一篇文章。該論文提出了PETER模型（如上圖所示），將user， item和item feature，item的explanation當作模型輸入，對user，item進行表示學習，同時也學習item特征向量表示和explanation文字的表示，輸出又3個任務，Rating prediction是推薦任務，context Prediction是用item的輸出表示預測item的生成item的explanation（和doc2vec算法類似），Explanation Generation就是正常的生成任務。

總體上user、item著兩個輸入和對應的表示能讓模型學到Personalized和recommendation的知識，Explanation預測就是正常的生成任務。該模型在Yelp、Amazon，TripAdvisor數據集上做了實驗，有不錯的效果。

Contributions of Transformer Attention Heads in Multi- and Cross-lingual Tasks

對Transformer不同Head重要性進行分析的一篇文章。這篇文章在multi-lingual，Cross-lingual任務上，對mBERT、XLM-R這兩個Transformer模型進行了分析，實驗結果顯示：1. 對attention head進行剪裁之后依舊可以獲得與原模型相匹配的效果，甚至可以獲得更好的效果。2. 根據梯度來確定哪些head可以被剪裁。3. 文章在多語言的POS和NER數據集上驗證了結論和方法的正確性質。

Are Pre-trained Convolutions Better than Pre-trained Transformers？

對比CNN和Transformer的效果。該文之前已經在公眾號上分享過啦，相關鏈接： 預訓練的卷積模型比Transformer更好？

Attention Calibration for Transformer in Neural Machine Translation

翻譯的時候decoder需要attention到正確的詞才能獲得更好的效果，但是如果有其他不重要帶來了嚴重的干擾，那么翻譯效果將會下降，來自騰訊的這篇工作展示了如何修正翻譯中的attention來幫助機器翻譯。

總體結構如上圖所示，通過一個mask perturbation 模型來學習如何對attention進行修正，基本思路是：如果mask到了重要的詞，那么翻譯效果下降，如果mask掉了干擾詞（也就是修正了原來的attention分數），那么翻譯效果上升。

What Context Features Can Transformer Language Models Use？

Transformer需要的重要feature分析。這篇文章對transformer模型在中長文本上的效果進行對比分析發現：

1. 對于長文本而言，增加最大token數量的限制（256到768）有幫助。

2. 對于當前的模型而言，長文本的信息主要來源于content words和局部occurrence統計信息：刪除一些function words和局部window內隨機shuffle對模型最終影響比較小。

3. 并不是context中所有feature重要性都相同?？傮w上文章對：word order，sentence order，order of sections，根據token屬性對token進行控制變量的刪減等一些列feature進行了控制變量分析。

Reservoir Transformers

Transformer分析文章。文章顯示：固定預訓練模型的部分參數或者增加一些隨機初始化的模塊（比如加入gru，cnn等模塊）可以提升transformer模型最終效果。文章在語言模型和翻譯任務上進行驗證。

More Identifiable yet Equally Performant Transformers for Text Classification

對Transformer模型進行可解釋性設計。文章的主要貢獻是：1. attention不同權重可鑒別性的理論分析。2. 設計了一種transformer變體有助于attention權重的鑒別從而提升可解釋性。3. 在文本分類任務上做了分析和驗證，提升可鑒別性的同時不降低原有任務的效果。

長文本處理ERNIE-DOC： A Retrospective Long-Document Modeling Transformer

針對長文本處理的Transformer優化，來自百度NLP團隊。入上圖所示，整個長文章的被分成了多片，該文章認為之前的Transformer模型都無法利用整個文章的信息，而提出的ERNIE-DOC用到了所有文本信息。

為了讓模型能看到長文本所有信息，該文章主要有以下幾個貢獻：

1. 一個長文本feed給模型2次。

2. 由于目前的recurrence Transformer所能看到的最長文本受到最大層數的限制，所以提出了一個enhanced recurrence mechanism進一步擴大Transformer所能看到的文本范圍。

3. 還提出了一個segment-reordering任務，主要就是將文本中的分片打亂，然后預測是否是正確的順序。論文在語言模型任務、document-level的長文本理解任務，以及一系列中英文下游任務上進行了驗證。

G-Transformer for Document-level Machine Translation

Transformer雖然在單句翻譯中有不錯的效果了，但多句翻譯/document-level的翻譯還遠不夠好。這篇文章發現多句翻譯訓練的時候容易陷入局部最優，陷入局部最優的原因是因為翻譯的時候需要attention 的source words太多了。

所以這個文章做了一個比較容易理解的事情：把document level的翻譯依舊看作是多個單個句子翻譯，通過句子序號來提醒模型翻譯到哪里了，從而縮小target到source需要attention的范圍。

Transformer有趣的應用Topic-Driven and Knowledge-Aware Transformer for Dialogue Emotion Detection

結合Transformer和knowledge base，對對話系統中的Topic和情感傾向進行識別。該文主要貢獻如下：1. 首次基于topic來幫助對話情感識別。2. 使用pointer network和attention機制融入commonsense knowledge。3.在解決對話情感檢測任務時，設計了一個基于Transformer encoder-decoder結構的模型，來取代之前通用的recurrent attention一類的網絡。

Unsupervised Out-of-Domain Detection via Pre-trained Transformers

深度學習模型的效果越來越好，但如果遇到和訓練樣本分布不一致的輸入會怎么樣？這篇文章基于BERT模型中多層Transformer所提取的feature，在inference階段對out-of-domian的樣本檢測，可以有效排除和訓練樣本分布不一致的測試樣本，基于深度學習模型對深度學習模型的輸入進行檢查，也是很有趣的一個方向。

MECT： Multi-Metadata Embedding based Cross-Transformer for Chinese Named Entity Recognition

融入中文字形而設計的一種Transformer，該論文顯示融入了中文字形之后，在多個中文任務上取得了更好的效果。

ChineseBERT： Chinese Pretraining Enhanced by Glyph and Pinyin Information

ARBERT & MARBERT： Deep Bidirectional Transformers for Arabic

擴展Transformer模型到多種語言。文章設計和實現了兩個ARabic-specific Transformer并在大量的語料和多種datasets上進行了預訓練，文章還提出了一個benchmark ARLUE進行專門的多語言評測。

Glancing Transformer for Non-Autoregressive Neural Machine Translation

Transformer在翻譯上的應用，主要是非自回歸翻譯模型方法的提出，來自字節跳動。文章提出一種非自回歸的翻譯模型，可以并行快速decode。感興趣的讀者可以閱讀中文講解：https://www.aminer.cn/research_report/60f0188430e4d5752f50eafd

在預訓練中用上字形和拼音信息，和上一個MECT同類型的研究。

總結

本文涉及的transformer相關研究主要分以下幾個類別：

NLP中的層次結構

Transformer的復雜度和高效設計

長文本處理

基于Transformer的一些有趣的應用

今天的分享就到這里啦，大家覺得不錯的話，幫點贊和分享一下吧，謝謝～～～

編輯：jq