大模型时代的BERT 详解

最近在学习BERT。

简单说几句。

BERT=Bidirectional Encoder Representation from Transformer

作者是谷歌的团队

主要亮点是使用transformer和pre-trainning+未标注的数据，训练出来一个通用的语言模型。

0：背景

视觉算法因为有ImageNet的存在，迁移学习或者微调都很方便，但是当时NLP一直没有。

在这个情况下BERT应运而生。

1：技术框架

a:Masked Language Model

在 BERT 中，Masked LM（Masked Language Model）构建了语言模型，简单来说，就是随机遮盖或替换一句话里面的任意字或词，然后让模型通过上下文预测那一个被遮盖或替换的部分，之后做 Loss 的时候也只计算被遮盖部分的 Loss，这其实是一个很容易理解的任务，实际操作如下：

1. 随机把一句话中 15% 的 token（字或词）替换成以下内容：

   1. 这些 token 有 80% 的几率被替换成 [MASK]，例如 my dog is hairy→my dog is [MASK]
   2. 有 10% 的几率被替换成任意一个其它的 token，例如 my dog is hairy→my dog is apple
   3. 有 10% 的几率原封不动，例如 my dog is hairy→my dog is hairy
2. 之后让模型预测和还原被遮盖掉或替换掉的部分，计算损失的时候，只计算在第 1 步里被随机遮盖或替换的部分，其余部分不做损失，其余部分无论输出什么东西，都无所谓

为什么要这样做？

主要是为了利用transformer提供全局语义信息，使得模型可以考虑上下文。从而增强各个特征之间的联系。

b:Next Sentence Prediction

我们首先拿到属于上下文的一对句子，也就是两个句子，之后我们要在这两个句子中加一些特殊的 token：[CLS]上一句话[SEP]下一句话[SEP]。也就是在句子开头加一个 [CLS]，在两句话之间和句末加 [SEP]，具体地如下图所示

可以看到，上图中的两句话明显是连续的。如果现在有这么一句话 [CLS]我的狗很可爱[SEP]企鹅不擅长飞行[SEP]，可见这两句话就不是连续的。在实际训练中，我们会让这两种情况出现的数量为 1:1(这个比例是为了适配样本不均衡)

Token Embedding 就是正常的词向量，即 PyTorch 中的 nn.Embedding()

Segment Embedding 的作用是用 embedding 的信息让模型分开上下句，我们给上句的 token 全 0，下句的 token 全 1，让模型得以判断上下句的起止位置，例如

[CLS]我的狗很可爱[SEP]企鹅不擅长飞行[SEP]
 0   0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1

Position Embedding 和 Transformer 中的不一样，不是三角函数，而是学习出来的

Multi-Task Learning

BERT 预训练阶段实际上是将上述两个任务结合起来，同时进行，然后将所有的 Loss 相加

2：训练

BERT 的 Fine-Tuning 共分为 4 个类型。

这里参考的主要是台大李宏毅老师。

 分类任务的开头是cls，然后将该位置的 output，丢给 Linear Classifier，让其 predict 一个 class 即可。整个过程中 Linear Classifier 的参数是需要从头开始学习的，而 BERT 中的参数微调就可以了。

 如果现在的任务是 Slot Filling，将句子中各个字对应位置的 output 分别送入不同的 Linear，预测出该字的标签。其实这本质上还是个分类问题，只不过是对每个字都要预测一个类别

 如果现在的任务是 NLI（自然语言推理）。即给定一个前提，然后给出一个假设，模型要判断出这个假设是 正确、错误还是不知道。这本质上是一个三分类的问题，和 Case 1 差不多，对 [CLS] 的 output 进行预测即可

如果现在的任务是 QA（问答），举例来说，如上图，将一篇文章，和一个问题（这里的例子比较简单，答案一定会出现在文章中）送入模型中，模型会输出两个数 s,e，这两个数表示，这个问题的答案，落在文章的第 s 个词到第 e 个词。具体流程我们可以看下面这幅图 

首先将问题和文章通过 [SEP] 分隔，送入 BERT 之后，得到上图中黄色的输出。此时我们还要训练两个 vector，即上图中橙色和黄色的向量。首先将橙色和所有的黄色向量进行 dot product，然后通过 softmax，看哪一个输出的值最大，例如上图中 d2 对应的输出概率最大，那我们就认为 s=2 

同样地，我们用蓝色的向量和所有黄色向量进行 dot product，最终预测得 d3 的概率最大，因此 e=3。最终，答案就是 s=2,e=3 .

3：代码实现

我是在A100的卡上跑的。

 从结果上来看，只能说能用。