BERT蒸馏完全指南｜原理/技巧/代码
小朋友，关于模型蒸馏，你是否有很多问号：
蒸馏是什么？怎么蒸BERT？
BERT蒸馏有什么技巧？如何调参？
蒸馏代码怎么写？有现成的吗？
今天rumor就结合Distilled BiLSTM/BERT-PKD/DistillBERT/TinyBERT/MobileBERT/MiniLM六大经典模型，带大家把BERT蒸馏整到明明白白！
模型蒸馏原理
Hinton在NIPS2014[1]提出了知识蒸馏（Knowledge Distillation）的概念，旨在把一个大模型或者多个模型ensemble学到的知识迁移到另一个轻量级单模型上，方便部署。简单的说就是用小模型去学习大模型的预测结果，而不是直接学习训练集中的label。
在蒸馏的过程中，我们将原始大模型称为教师模型（teacher），新的小模型称为学生模型（student），训练集中的标签称为hard label，教师模型预测的概率输出为soft label，temperature(T)是用来调整soft label的超参数。
蒸馏这个概念之所以work，核心思想是因为好模型的目标不是拟合训练数据，而是学习如何泛化到新的数据。所以蒸馏的目标是让学生模型学习到教师模型的泛化能力，理论上得到的结果会比单纯拟合训练数据的学生模型要好。
如何蒸馏
蒸馏发展到今天，有各种各样的花式方法，我们先从最基本的说起。
之前提到学生模型需要通过教师模型的输出学习泛化能力，那对于简单的二分类任务来说，直接拿教师预测的0/1结果会与训练集差不多，没什么意义，那拿概率值是不是好一些？于是Hinton采用了教师模型的输出概率q，同时为了更好地控制输出概率的平滑程度，给教师模型的softmax中加了一个参数T。
有了教师模型的输出后，学生模型的目标就是尽可能拟合教师模型的输出，新loss就变成了：
其中CE是交叉熵（Cross-Entropy），y是真实label，p是学生模型的预测结果， 是蒸馏loss的权重。这里要注意的是，因为学生模型要拟合教师模型的分布，所以在求p时的也要使用一样的参数T。另外，因为在求梯度时新的目标函数会导致梯度是以前的 ，所以要再乘上 ，不然T变了的话hard label不减小（T=1），但soft label会变。
有同学可能会疑惑：如果可以拟合prob，那直接拟合logits可以吗？
当然可以，Hinton在论文中进行了证明，如果T很大，且logits分布的均值为0时，优化概率交叉熵和logits的平方差是等价的。
BERT蒸馏
在BERT提出后，如何瘦身就成了一个重要分支。主流的方法主要有剪枝、蒸馏和量化。量化的提升有限，因此免不了采用剪枝+蒸馏的融合方法来获取更好的效果。接下来将介绍BERT蒸馏的主要发展脉络，从各个研究看来，蒸馏的提升一方面来源于从精调阶段蒸馏->预训练阶段蒸馏，另一方面则来源于蒸馏最后一层知识->蒸馏隐层知识->蒸馏注意力矩阵。
Distilled BiLSTM
Distilled BiLSTM[2]于2019年5月提出，作者将BERT-large蒸馏到了单层的BiLSTM中，参数量减少了100倍，速度提升了15倍，效果虽然比BERT差不少，但可以和ELMo打成平手。
Distilled BiLSTM的教师模型采用精调过的BERT-large，学生模型采用BiLSTM+ReLU，蒸馏的目标是hard labe的交叉熵+logits之间的MSE（作者经过实验发现MSE比上文的 更好）。
同时因为任务数据有限，作者基于以下规则进行了10+倍的数据扩充：
用[MASK]随机替换单词
基于POS标签替换单词
从样本中随机取出n-gram作为新的样本
但由于没有消融实验，无法知道数据增强给模型提升了多少最终效果。
BERT-PKD (EMNLP2019)
既然BERT有那么多层，是不是可以蒸馏中间层的知识，让学生模型更好地拟合呢？
BERT-PKD[3]不同于之前的研究，提出了Patient Knowledge Distillation，即从教师模型的中间层提取知识，避免在蒸馏最后一层时拟合过快的现象（有过拟合的风险）。
对于中间层的蒸馏，作者采用了归一化之后MSE，称为PT loss。
教师模型采用精调好的BERT-base，学生模型一个6层一个3层。为了初始化一个更好的学生模型，作者提出了两种策略，一种是PKD-skip，即用BERT-base的第[2,4,6,8,10]层，另一种是PKD-last，采用第[7,8,9,10,11]层。最终实验显示PKD-skip要略好一点点（<0.01）。
DistillBERT (NIPS2019）
之前的工作都是对精调后的BERT进行蒸馏，学生模型学到的都是任务相关的知识。HuggingFace则提出了DistillBERT[4]，在预训练阶段进行蒸馏。将尺寸减小了40%，速度提升60%，效果好于BERT-PKD，为教师模型的97%。
DistillBERT的教师模型采用了预训练好的BERT-base，学生模型则是6层transformer，采用了PKD-skip的方式进行初始化。和之前蒸馏目标不同的是，为了调整教师和学生的隐层向量方向，作者新增了一个cosine embedding loss，蒸馏最后一层hidden的。最终损失函数由MLM loss、教师-学生最后一层的交叉熵、隐层之间的cosine loss组成。从消融实验可以看出，MLM loss对于学生模型的表现影响较小，同时初始化也是影响效果的重要因素：
TinyBERT（EMNLP2019）
既然精调阶段、预训练阶段都分别被蒸馏过了，理论上两步联合起来的效果可能会更好。
TinyBERT[5]就提出了two-stage learning框架，分别在预训练和精调阶段蒸馏教师模型，得到了参数量减少7.5倍，速度提升9.4倍的4层BERT，效果可以达到教师模型的96.8%，同时这种方法训出的6层模型甚至接近BERT-base，超过了BERT-PKD和DistillBERT。
TinyBERT的教师模型采用BERT-base。作者参考其他研究的结论，即注意力矩阵可以捕获到丰富的知识，提出了注意力矩阵的蒸馏，采用教师-学生注意力矩阵logits的MSE作为损失函数（这里不取attention prob是实验表明前者收敛更快）。另外，作者还对embedding进行了蒸馏，同样是采用MSE作为损失。
于是整体的loss计算可以用下式表示：
其中m表示层数。 表示教师-学生最后一层logits的交叉熵。
最后的实验中，预训练阶段只对中间层进行了蒸馏；精调阶段则先对中间层蒸馏20个epochs，再对最后一层蒸馏3个epochs。
上图是各个阶段的消融实验。GD(General Distillation)表示预训练蒸馏，TD(Task Distillation)表示精调阶段蒸馏，DA(Data Augmentation)表示数据增强，主要用于精调阶段。从消融实验来看GD带来的提升不如TD或者DA，TD和DA对最终结果的影响差不多（有种蒸了这么半天还不如多标点数据的感觉=.=）。
MobileBERT（ACL2020）
前文介绍的模型都是层次剪枝+蒸馏的操作，MobileBERT[6]则致力于减少每层的维度，在保留24层的情况下，减少了4.3倍的参数，速度提升5.5倍，在GLUE上平均只比BERT-base低了0.6个点，效果好于TinyBERT和DistillBERT。
MobileBERT压缩维度的主要思想在于bottleneck机制，如下图所示：
其中a是标准的BERT，b是加入bottleneck的BERT-large，作为教师模型，c是加入bottleneck的学生模型。Bottleneck的原理是在transformer的输入输出各加入一个线性层，实现维度的缩放。对于教师模型，embedding的维度是512，进入transformer后扩大为1024，而学生模型则是从512缩小至128，使得参数量骤减。
另外，作者发现在标准BERT中，多头注意力机制MHA和非线性层FFN的参数比为1:2，这个参数比相比其他比例更好。所以为了维持比例，会在学生模型中多加几层FFN。
MobileBERT的蒸馏中，作者先用b的结构预训练一个BERT-large，再蒸馏到24层学生模型中。蒸馏的loss有多个：
Feature Map Transfer：隐层的MSE
Attention Transfer：注意力矩阵的KL散度
Pre-training Distillation：
同时作者还研究了三种不同的蒸馏策略：直接蒸馏所有层、先蒸馏中间层再蒸馏最后一层、逐层蒸馏。如下图：
最后的结论是逐层蒸馏效果最好，但差距最大才0.5个点，性价比有些低了。。
MobileBERT还有一点不同于之前的TinyBERT，就是预训练阶段蒸馏之后，作者直接在MobileBERT上用任务数据精调，而不需要再进行精调阶段的蒸馏，方便了很多。
MiniLM
之前的各种模型基本上把BERT里面能蒸馏的都蒸了个遍，但MiniLM[7]还是找到了新的蓝海——蒸馏Value-Value矩阵：
Value-Relation Transfer可以让学生模型更深入地模仿教师模型，实验表明可以带来1-2个点的提升。同时作者考虑到学生模型的层数、维度都可能和教师模型不同，在实验中只蒸馏最后一层，并且只蒸馏这两个矩阵的KL散度，简直是懒癌福音。
另外，作者还引入了助教机制。当学生模型的层数、维度都小很多时，先用一个维度小但层数和教师模型一致的助教模型蒸馏，之后再把助教的知识传递给学生。
最终采用BERT-base作为教师，实验下来6层的学生模型比起TinyBERT和DistillBERT好了不少，基本是20年性价比数一数二的蒸馏了。
BERT蒸馏技巧
介绍了BERT蒸馏的几个经典模型之后，真正要上手前还是要把几个问题都考虑清楚，下面就来讨论一些蒸馏中的变量。
剪层还是减维度？
这个选择取决于是预训练蒸馏还是精调蒸馏。预训练蒸馏的数据比较充分，可以参考MiniLM、MobileBERT或者TinyBERT那样进行剪层+维度缩减，如果想蒸馏中间层，又不想像MobileBERT一样增加bottleneck机制重新训练一个教师模型的话可以参考TinyBERT，在计算隐层loss时增加一个线性变换，扩大学生模型的维度：
对于针对某项任务、只想蒸馏精调后BERT的情况，则推荐进行剪层，同时利用教师模型的层对学生模型进行初始化。从BERT-PKD以及DistillBERT的结论来看，采用skip（每隔n层选一层）的初始化策略会优于只选前k层或后k层。
用哪个Loss？
看完原理后相信大家也发现了，基本上每个模型蒸馏都用的是不同的损失函数，CE、KL、MSE、Cos魔幻组合，自己蒸馏时都不知道选哪个好。。于是rumor我强行梳理了一番，大家可以根据自己的任务目标挑选：
对于hard label，使用KL和CE是一样的，因为，训练集不变时label分布是一定的。但对于soft label则不同了，不过表中不少模型还是采用了CE，只有Distilled BiLSTM发现 更好。个人认为可以CE/MSE/KL都试一下，但MSE有个好处是可以避免T的调参。
中间层输出的蒸馏，大多数模型都采用了MSE，只有DistillBERT加入了cosine loss来对齐方向。
注意力矩阵的蒸馏loss则比较统一，如果要蒸馏softmax之前的attention logits可以采用MSE，之后的attention prob可以用KL散度。
T和 如何设置？
超参数 主要控制soft label和hard label的loss比例，Distilled BiLSTM在实验中发现只使用soft label会得到最好的效果。个人建议让soft label占比更多一些，一方面是强迫学生更多的教师知识，另一方面实验证实soft target可以起到正则化的作用，让学生模型更稳定地收敛。
超参数T主要控制预测分布的平滑程度，TinyBERT实验发现T=1更好，BERT-PKD的搜索空间则是{5, 10, 20}。因此建议在1～20之间多尝试几次，T越大越能学到teacher模型的泛化信息。比如MNIST在对2的手写图片分类时，可能给2分配0.9的置信度，3是1e-6，7是1e-9，从这个分布可以看出2和3有一定的相似度，这种时候可以调大T，让概率分布更平滑，展示teacher更多的泛化能力。
需要逐层蒸馏吗？
如果不是特别追求零点几个点的提升，建议无脑一次性蒸馏，从MobileBERT来看这个操作性价比太低了。
蒸馏代码实战
目前Pytorch版本的模型蒸馏有一个非常赞的开源工具TextBrewer[8]，在它的src/textbrewer/losses.py文件下可以看到各种loss的实现。
最后输出层的CE/KL/MSE loss比较简单，只需要将两者的logits除temperature之后正常计算就可以了，以CE为例：
def kd_ce_loss(logits_S, logits_T, temperature=1):
'''
Calculate the cross entropy between logits_S and logits_T
:param logits_S: Tensor of shape (batch_size, length, num_labels) or (batch_size, num_labels)
:param logits_T: Tensor of shape (batch_size, length, num_labels) or (batch_size, num_labels)
:param temperature: A float or a tensor of shape (batch_size, length) or (batch_size,)
'''
if isinstance(temperature, torch.Tensor) and temperature.dim() > 0:
temperature = temperature.unsqueeze(-1)
beta_logits_T = logits_T / temperature
beta_logits_S = logits_S / temperature
p_T = F.softmax(beta_logits_T, dim=-1)
loss = -(p_T * F.log_softmax(beta_logits_S, dim=-1)).sum(dim=-1).mean()
return loss
对于hidden MSE的蒸馏loss，则需要去除被mask的部分，另外如果维度不一致，需要额外加一个线性变换，TextBrewer默认输入维度是一致的：
def hid_mse_loss(state_S, state_T, mask=None):
'''
* Calculates the mse loss between `state_S` and `state_T`, which are the hidden state of the models.
* If the `inputs_mask` is given, masks the positions where ``input_mask==0``.
* If the hidden sizes of student and teacher are different, 'proj' option is required in `inetermediate_matches` to match the dimensions.
:param torch.Tensor state_S: tensor of shape (*batch_size*, *length*, *hidden_size*)
:param torch.Tensor state_T: tensor of shape (*batch_size*, *length*, *hidden_size*)
:param torch.Tensor mask: tensor of shape (*batch_size*, *length*)
'''
if mask is None:
loss = F.mse_loss(state_S, state_T)
else:
mask = mask.to(state_S)
valid_count = mask.sum() * state_S.size(-1)
loss = (F.mse_loss(state_S, state_T, reduction='none') * mask.unsqueeze(-1)).sum() / valid_count
return loss
蒸馏attention矩阵则也要考虑mask，但注意这里要处理的维度是N*N：
def att_mse_loss(attention_S, attention_T, mask=None):
'''
* Calculates the mse loss between `attention_S` and `attention_T`.
* If the `inputs_mask` is given, masks the positions where ``input_mask==0``.
:param torch.Tensor logits_S: tensor of shape (*batch_size*, *num_heads*, *length*, *length*)
:param torch.Tensor logits_T: tensor of shape (*batch_size*, *num_heads*, *length*, *length*)
:param torch.Tensor mask: tensor of shape (*batch_size*, *length*)
'''
if mask is None:
attention_S_select = torch.where(attention_S <= -1e-3, torch.zeros_like(attention_S), attention_S)
attention_T_select = torch.where(attention_T <= -1e-3, torch.zeros_like(attention_T), attention_T)
loss = F.mse_loss(attention_S_select, attention_T_select)
else:
mask = mask.to(attention_S).unsqueeze(1).expand(-1, attention_S.size(1), -1) # (bs, num_of_heads, len)
valid_count = torch.pow(mask.sum(dim=2),2).sum()
loss = (F.mse_loss(attention_S, attention_T, reduction='none') * mask.unsqueeze(-1) * mask.unsqueeze(2)).sum() / valid_count
return loss
最后是只在DistillBERT中出现的cosine loss，可以直接使用pytorch的默认接口：
def cos_loss(state_S, state_T, mask=None):
'''
* Computes the cosine similarity loss between the inputs. This is the loss used in DistilBERT, see `DistilBERT `_
* If the `inputs_mask` is given, masks the positions where ``input_mask==0``.
* If the hidden sizes of student and teacher are different, 'proj' option is required in `inetermediate_matches` to match the dimensions.
:param torch.Tensor state_S: tensor of shape (*batch_size*, *length*, *hidden_size*)
:param torch.Tensor state_T: tensor of shape (*batch_size*, *length*, *hidden_size*)
:param torch.Tensor mask: tensor of shape (*batch_size*, *length*)
'''
if mask is None:
state_S = state_S.view(-1,state_S.size(-1))
state_T = state_T.view(-1,state_T.size(-1))
else:
mask = mask.to(state_S).unsqueeze(-1).expand_as(state_S).to(mask_dtype) #(bs,len,dim)
state_S = torch.masked_select(state_S, mask).view(-1, mask.size(-1)) #(bs * select, dim)
state_T = torch.masked_select(state_T, mask).view(-1, mask.size(-1)) # (bs * select, dim)
target = state_S.new(state_S.size(0)).fill_(1)
loss = F.cosine_embedding_loss(state_S, state_T, target, reduction='mean')
return loss
关于更多的蒸馏实战经验，可以参考知乎@邱震宇同学的模型蒸馏技巧小结[9]。
总结
短暂的学习就要结束了，蒸馏虽然费劲，但确实是目前小模型提升效果的主要方法之一，在很多研究中都有用到。另外，模型蒸馏有一个好处是可以利用大批量的无监督数据，只要能找到任务相关的，就可以蒸馏提升模型的泛化能力。标注数据少的同学还等什么？快去试试叭！
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参考资料
[1]
Distilling the Knowledge in a Neural Network: https://arxiv.org/abs/1503.02531
[2]Distilling Task-Specific Knowledge from BERT into Simple Neural Networks: https://arxiv.org/abs/1903.12136
[3]Patient Knowledge Distillation for BERT Model Compression: https://arxiv.org/abs/1908.09355
[4]DistilBERT, a distilled version of BERT: smaller, faster, cheaper and lighter: https://arxiv.org/abs/1910.01108
[5]TinyBERT: Distilling BERT for Natural Language Understanding: https://arxiv.org/abs/1909.10351
[6]MobileBERT: a Compact Task-Agnostic BERT for Resource-Limited Devices: https://arxiv.org/abs/2004.02984
[7]MINILM: Deep Self-Attention Distillation for Task-Agnostic Compression of Pre-Trained Transformers: https://arxiv.org/abs/2002.10957
[8]TextBrewer: https://github.com/airaria/TextBrewer
[9]模型压缩实践收尾篇——模型蒸馏以及其他一些技巧实践小结: https://zhuanlan.zhihu.com/p/124215760
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