阅读笔记：Exploring the Limits of Transfer Learning with a Unified Text-to-Text Transformer

Contributions

先放贡献：最近谷歌发布的T5预训练模型在Glue，SuperGlue以及Squad任务上都超越了BERT，好不风光。在小编看来，它最主要的贡献是：

1. 提出一个通用框架 – T5
2. 公开的C4数据集
3. 各种预训练的试验，对比结果，给出推荐参数

Text-to-Text Transfer Transformer (T5)

• 它依然是基于Transformer的预训练模型

• 将主流NLP任务（MT, QA, 摘要，分类）都转换为Text-to-Text的任务
  （Text-to-Text：Where the model is fed some text for contex or conditioning and is then asked to produce some output text），如下图：
  
  注：为了帮助区分不同任务，在数据之前加prefix，如：
  变为：
  分类任务则为分类的label，比如“negative”；Regression任务，拿STS-B（相似任务）来说：1-5分，每0.2分为一个度量，则输出四舍五入到最近的0.2的整数倍，如：2.57→2.60，输出为String。

  通过这样的方式将不同的NLP 任务都转换成统一格式，就可以用同样的模型，同样的损失函数，同样的训练过程，同样的解码过程来完成不同 NLP 任务。其实这个idea在GPT-2论文中就曾提及，在这篇论文中终于实现了。

Colossal Clean Crawled Corpus (C4)

• 源自Common Crawl （一个公开的网页存档数据集，每个月抓取约20TB 文本数据）
• 目前只有英语
• 进行清洗，最后大小为750G
• 清洗过程简介如下：
  – 只保留结尾是正常符号的行；
  – 删除任何包含不好的词的页面，具体词表参考https://github.com/LDNOOBW/List-of-Dirty-Naughty-Obscene-and-Otherwise-Bad-Words库；
  – 包含 Javascript 词的行全去掉；
  – 包含编程语言中常用大括号的页面；
  – 任何包含用于排版测试符号的页面；
  – 连续三句话重复出现情况，只保留一个。

Experiments & Results

本文中作者做了很多实验，包括但不限于model structure，model architecture，pre-training objectives，datasets 等等。

Baseline：

• Model：实验发现用标准的encoder-decoder结构在生成任务与分类任务上的表现都更好。模型采用标准的transformer，具体参数参考BERT base；由于是encoder-decoder结构因此参数数量是BERT base的两倍。
• Training：训练模式是标准的maximum likelihood，loss是cross-entropy，优化方法是AdaFactor，解码机制是greedy decoding（而不是beam search）。
• Vocabulary：用SentencePiece生成了一个大约32000大小的词表，由于翻译任务的存在因此词表中存在非英语单词。
• Unsupervised Objective：采用了Denoising objective（BERT-styple）代替传统的language modeling objective。灵感来自BERT的mask方式，并在基础上作出改进：

Architecture：

• Model structure：作者对三种预训练模型架构进行了比对，结果是Encoder-Decoder结构效果最好，如下图：
  Encoder-Decoder型，即 Seq2Seq 常用模型，分成 Encoder 和 Decoder 两部分，对于 Encoder 部分，输入可以看到全体，之后结果输给 Decoder，而 Decoder 因为输出方式只能看到之前的。。
  第二种，相当于上面的 Decoder 部分，当前时间步只能看到之前时间步信息，典型代表是GPT2。
  第三种，Prefix LM型，可看作是上面 Encoder 和 Decoder 的融合体，一部分如 Encoder 一样能看到全体信息，一部分如 Decoder 一样只能看到过去信息。

• 以上三种结构都是有Transformer构成，主要的区别是注意力机制的不同：

• 三种架构在不同任务上的结果展示如下，由于Encoder-Decoder结构效果最好，因此T5的模型结构即选为由Transformer组成的Encoder-Decoder模型：

Objectives

• 类别共三种：
  Prefix Language Modeling：类似于GPT2，由左到右依次预测；
  BERT-style：将一部分token mask掉，然后还原；
  Deshuffling：将顺序打乱，然后还原文本；
  区别如下图：
  　实验结果显示是BERT-Style最好，实验结果如下：
  　BERT-styple中的corruption rate为15%最好，结果如下：
  　Corruption Span长度为3时效果最好：　
  综上，整个探索Objective的实验可由如下流程图展示：

Others

• 数据：1. C4完整数据由于数据来源众多，导致在一些领域内的下游任务的表现不如C4细分下的领域内的预训练数据表现好；2. 不同数据量对比，发现当数据少时模型会记住数据所以之后表现会差，因此数据越多模型预训练效果越好。
• 训练策略：
  Fine-tuning methods：主要比较了两种方法，adapter layer和gradual unfreezing。adapter layer的参数量是跟fine-tuning tasks的数据规模正相关的。如果能仔细调调参数，其实还是更新所有参数表现最好。
  Multi-task learning：单纯用multi task learning不如pre-train-then-fine-tune效果好。
  Combining multi-task learning with fine-tuning：效果不如Unsupervised pre-training+ Fine-tuning。
• Scaling：更长的训练时间和更大的模型会带来更好的结果。

Conclusion & Reflection

• The inconvenience of large models：谷歌说：“我们也知道大模型表现好，但是一味把事情搞大不行，建议看看distillation、parameter sharing和conditional computation。”
• More efficient knowledge extraction：我们需要一个更有效的方法来学到通用的知识，BERT-style loss的效率也许不是最优解。
• Formalizing the similarity between tasks：我们需要一个衡量pre-training和下游任务相似性的方法 so that we could make more principled choices about what source of unlabeled data to use.
• Language-agnostic models：English-only pre-training没能在翻译任务上达到SOTA的表现（因为没有Beam Search？），说明单一语言还是有局限性。