中文生成模型T5-Pegasus详解与实践

我们在前一篇文章《生成式摘要的四篇经典论文》中介绍了Seq2seq在生成式研究中的早期应用，以及针对摘要任务本质的讨论。

如今，以T5为首的预训练模型在生成任务上表现出超出前人的效果，这些早期应用也就逐渐地淡出了我们的视野。本文将介绍T5的多国语言版mT5及其变种T5-Pegasus，以及T5-Pegasus如何做到更好地适用于中文生成，并介绍它在中文摘要任务中的实践。

1. mT5

T5模型出自Google团队的《Exploring the Limits of Transfer Learning with a Unified Text-to-Text Transformer》，是一个Encoder-Decoder结构的Transformer预训练语言模型，在各大NLP生成任务中表现优异，一举刷新了多个NLP任务的榜单。

mT5，即Multilingual T5，T5的多国语言版。mT5出自Google团队的《mT5: A massively multilingual pre-trained text-to-text transformer》，mT5的预训练语料涵盖了101种语言，其中包括了中文。

1.1 Text-to-Text 结构

以Text-to-Text为目标的mT5，采用完整的Transformer模型结构。对Transformer不了解的读者，可以看下我的博客《Transformer回顾与细节》。

这里只关注 mT5 与传统Transformer的不同之处。

细节一. 相对位置编码

mT5采用相对位置编码。具体地，我们先看常规self-Attention计算过程：
$$\begin{array}{rl}{a}_{ij}& =softmax[\frac{(x_i{W}^Q)(x_j{W}^K{)}^T}{\sqrt{d_k}}]\\ z_i& =\sum _{j=1}^n{a}_{ij}(x_j{W}^V)\end{array}$$

相对位置编码的开篇之作《Self-Attention with Relative Position Representations》的做法是，如下式，分别在$a_{ij}$上加入可训练的$R_{ij}^K$，在$z_i$上加入可训练的$R_{ij}^V$。此外，由于对较远位置的准确性要求较低，就将其截断$clip(j-i,k)$。
$$\begin{array}{rl}{a}_{ij}& =softmax[\frac{(x_i{W}^Q)(x_j{W}^K+R_{ij}^K{)}^T}{\sqrt{d_k}}]\\ z_i& =\sum _{j=1}^n{a}_{ij}(x_j{W}^V+R_{ij}^V)\end{array}$$

mT5的相对位置编码的做法是，如下式，在$a_{ij}$上加入可训练的$R_{ij}^K$，$z_i$保持不变。
$$\begin{array}{rl}{a}_{ij}& =softmax[\frac{(x_i{W}^Q)(x_j{W}^K{)}^T+R_{ij}^K}{\sqrt{d_k}}]\\ z_i& =\sum _{j=1}^n{a}_{ij}(x_j{W}^V)\end{array}$$

所以，mT5第一个block的self-attention计算中，直接把relative_position_bias加在score上，代码如下。

# compute attention scores
scores = torch.matmul(query_states, key_states.transpose(3, 2))
position_bias = self.compute_bias(real_seq_length, key_length) 
scores += position_bias  # (batch_size, n_heads, seq_length, key_length)

position_bias是如何计算的呢？这个计算过程是比较特别的。在计算当前token和目标token的attention值时，记录两个token的距离的绝对值，我们不直接使用这个距离值，而是根据距离值的大小进行一定程度的缩小，距离值越大缩小倍数越大，距离值越小缩小倍数越小。具体实现时，采用一种bucket"分桶"的方法，即对于临近距离应分到不同的桶中，分别进行精细编码；对于稍远距离应分到同一个桶中，共用一个编码；对于更远距离则共用范围更大一些；对于超出限定距离则clip截断。

细节二. 无均值的归一化

mT5的layer norm计算不同于常规layer norm，省去了均值。我们先看常规的layer norm计算：
$$out=\frac{x-mean[x,axis]}{\sqrt{Var[x,axis]}+ϵ}\times \gamma +\beta$$

mT5的layer norm省去了"减均值"这一步，计算如下：
$$out=\frac{x}{\sqrt{Var[x,axis]+ϵ}}\times \gamma$$

细节三. 无dk的注意力得分

此外mT5有一个细节，计算self-Attention score时，省去了"除以$d_k$"这一步。我们先看常规的self-Attention score计算：

$$a_{ij}=softmax(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}})$$

而mT5的self-Attention score计算如下：
$$a_{ij}=softmax(Q{K}^T)$$

细节四. Dropout策略

mT5在预训练阶段，完全不使用Dropout；在微调阶段，才使用Dropout。

细节五. 无bias且采用GLU的全连接层

mT5的FFN层的激活函数采用“门控线性单元GLU”，并且没有bias项。我们先来看常规的以ReLU为激活函数的FFN层：

$$FFN(x)=ReLU(x{W}_1+b_1)W_2+b_2$$

mT5的FFN层则改为：

$$FFN(x)=(GeLU(x{W}_1)\otimes x{W}_2)W_3$$

FFN层增加了50%参数，从论文实验看效果明显增加。

细节六. Softmax层与Embedding层不共享参数

mT5的Embedding层参数共享，即Encoder与Decoder共享同一个Embedding矩阵。但是mT5的Softmax层与Embedding不共享参数，即Softmax层采用独立的Embedding矩阵。这样一来，参数量大大增加，但从实验结果来看效果更好。

1.2 有监督/无监督预训练任务

mT5的预训练任务很多，有无监督预训练，也有有监督预训练。它们的共性是，完全采用生成式。下面分别介绍：

(1) 无监督预训练
mT5最有效的无监督任务是采用BERT的MLM任务，也就是补齐句子中被mask的词。不过，mT5把语料构造为Seq2seq生成式的形式。

输入：明月几时有，[M0]问青天，不知[M1]，今夕是何年？

输出：[M0]把酒[M1]天上宫阙

(2) 有监督预训练
mT5采用多种NLP任务语料，以Seq2seq的形式，构造了多个有监督预训练任务，例如下图中的机器翻译、语言可接受度、相似度匹配、自动摘要，还有阅读理解、情感分类、主题分类、完形填空等等。

样本以任务描述文字开头，也就是提示(Prompt)，然后才是样本内容，例如下图中的"translate English to German:"，告知模型把这段英文文本翻译成德语文本。

mT5尝试在预训练阶段只做无监督任务，去掉有监督任务，从实验结果来看效果依然出色。

此外，要注意的是，由于架构差异，使用mT5 finetuen时，学习率应比BERT大10倍，即5e-4，BERT的学习率通常为5e-5。

2. T5-Pegasus

接下来，介绍T5-Pegasus。

以mT5为基础架构和初始权重，结合中文的特点对Tokenizer作了修改，在中文语料上使用PEGASUS式的伪摘要预训练任务，最终训练得到新的T5模型，即T5-Pegasus。

2.1 新的Tokenizer与更小的词表

mT5使用的Tokenizer是sentencepiece，支持词粒度。虽然中文词不多，但是相比字粒度有提升。

sentencepiece是一个C++编写的分词库，高效轻便，但对中文并不友好，例如，将全角字符强制转换为半角字符。

为此，T5-Pegasus的Tokenizer换为了BERT的Tokenizer，并与jieba分词相结合，实现分词功能。具体地，先用jieba分词，如果当前词在词表vocab.txt中，就用jieba分词的结果；如果当前词不在词表vocab.txt中，再改用BERT的Tokenizer。

mT5的词表大小为25w，涵盖101种语言，其中大量词是无用的（对中文任务而言）。并且由于mT5的Softmax层与Embedding层不共享参数，mT5 small的参数量为3亿，其中Embedding相关的就占了2.5亿，占用了高额显存。

为此，T5-Pegasus的两个Embedding矩阵中，只保留了中文任务的常用token。具体地，从jieba词表的前20w个高频词中，选取了在预训练语料中出现频次最高的5w个词，并将其作为词表vocab.txt。

2.2 伪摘要式预训练任务

伪摘要式预训练任务来自Pegasus一文《PEGASUS: Pre-training with Extracted Gap-sentences for Abstractive Summarization》，即选取正文ci中与其他句子重合率最高（最长公共子序列）的m个句子，作为摘要，从而构建可用于训练的摘要语料。

详细地，如下图伪代码所示，初始状态下的标题/标签ti为空，从正文与标题/标签的差集si=ci - ti中选一个句子，这个句子使得差集si和此刻的标题/标签ti的Rouge-F1得分最高，将其并入候选标题/标签ti中，并重复上述步骤m次，得到包含m个句子的标题/标签ti。

3. 中文摘要生成实践

为了深入理解T5模型的底层逻辑，笔者阅读了Transformers的T5模型源代码，将其撰写为博文《MT5ForConditionalGeneration生成模型的推理细节，源码阅读》，欢迎各位读者阅读和提问，并留下宝贵意见。

笔者将T5-Pegasus的finetune与推理代码（Pytorch版）上传至Github库链接，欢迎start和Issue。

此外，笔者在此基础上，实现了T5-Pegasus的模型量化、模型剪裁、模型蒸馏，将在后续文章中详细介绍，并在Github中开源代码，欢迎关注。

Reference:

• [1] Exploring the Limits of Transfer Learning with a Unified Text-to-Text Transformer
• [2] mT5: A massively multilingual pre-trained text-to-text transformer
• [3] PEGASUS: Pre-training with Extracted Gap-sentences for Abstractive Summarization
• [4] 那个屠榜的T5模型，现在可以在中文上玩玩了
• [5] T5 PEGASUS：开源一个中文生成式预训练模型
• [6] Self-Attention with Relative Position Representations