解密Prompt系列3. 冻结LM微调Prompt: Prefix-tuning & Prompt-tuning & P-tuning

这一章我们介绍在下游任务微调中固定LM参数,只微调Prompt的相关模型。这类模型的优势很直观就是微调的参数量小,能大幅降低LLM的微调参数量,是轻量级的微调替代品。和前两章微调LM和全部冻结的prompt模板相比,微调Prompt范式最大的区别就是prompt模板都是连续型(Embedding),而非和Token对应的离散型模板。核心在于我们并不关心prompt本身是否是自然语言,只关心prompt作为探针能否引导出预训练模型在下游任务上的特定能力

固定LM微调Prompt的范式有以下几个优点

  • 性价比高!微调参数少,冻结LM只微调prompt部分的参数
  • 无人工参与!无需人工设计prompt模板,依赖模型微调即可
  • 多任务共享模型!因为LM被冻结,只需训练针对不同任务的prompt即可。因此可以固定预训练模型,拔插式加入Prompt用于不同下游任务

Prefix-Tuning

Paper: 2021.1 Optimizing Continuous Prompts for Generation Github:GitHub - XiangLi1999/PrefixTuning: Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation Prompt: Continus Prefix Prompt Task & Model:BART(Summarization), GPT2(Table2Text)

最早提出Prompt微调的论文之一,其实是可控文本生成领域的延伸,因此只针对摘要和Table2Text这两个生成任务进行了评估。

先唠两句可控文本生成,哈哈其实整个Prompt范式也是通用的可控文本生成不是,只不过把传统的Topic控制,文本情绪控制,Data2Text等,更进一步泛化到了不同NLP任务的生成控制~~

Prefix-Tuning可以理解是CTRL 1 模型的连续化升级版,为了生成不同领域和话题的文本,CTRL是在预训练阶段在输入文本前加入了control code,例如好评前面加'Reviews Rating:5.0',差评前面加'Reviews Rating:1.0', 政治评论前面加‘Politics Title:’,把语言模型的生成概率,优化成了基于文本主题的条件概率。

Prefix-Tuning进一步把control code优化成了虚拟Token,每个NLP任务对应多个虚拟Token的Embedding(prefix),对于Decoder-Only的GPT,prefix只加在句首,对于Encoder-Decoder的BART,不同的prefix同时加在编码器和解码器的开头。在下游微调时,LM的参数被冻结,只有prefix部分的参数进行更新。不过这里的prefix参数不只包括embedding层而是虚拟token位置对应的每一层的activation都进行更新。

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对于连续Prompt的设定,论文还讨论了几个细节如下

  1. prefix矩阵分解 作者发现直接更新多个虚拟token的参数效果很不稳定,因此作者在prefix层加了MLP,分解成了更小的embedding层 * 更大的MLP层。原始的Embedding层参数是n_prefix * emb_dim, 调整后变为n_prefix * n_hidden + n_hidden * emb_dim。训练完成后这部分就不再需要只保留MLP输出的参数进行推理即可 个人感觉MLP的加入是为了增加多个虚拟token之间的共享信息,因为它们和常规的连续文本存在差异,需要被作为一个整体考虑,可能对prefix位置编码进行特殊处理也阔以??
  2. prefix长度 prefix部分到底使用多少个虚拟token,直接影响模型微调的参数量级,以及处理长文本的能力。默认的prefix长度为10,作者在不同任务上进行了微调,最优参数如下。整体上prompt部分的参数量都在原模型的~0.1%

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  3. 其他:作者还对比了把prefix放在不同位置,以及使用任务相关的Token来初始化prefix embedding的设定,前者局限性较大,后者在后面的paper做了更详细的消融实验。效果上在Table2Text任务上,只有0.1%参数量级的prompt tuning效果要优于微调,

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    摘要任务上,prompt的效果要略差于微调。
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Prompt-tuning

Paper: 2021.4 The Power of Scale for Parameter-Efficient Prompt Tuning prompt:Continus Prefix Prompt Github: GitHub - google-research/prompt-tuning: Original Implementation of Prompt Tuning from Lester, et al, 2021 Task: SuperGLUE NLU任务 Model: T5 1.1(在原T5上进行了细节优化)

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Prompt-tuning是以上prefix-tuning的简化版本,面向NLU任务,进行了更全面的效果对比,并且在大模型上成功打平了LM微调的效果~

简化

对比Prefix-tuning,prompt-tuning的主要差异如下,

论文使用100个prefix token作为默认参数,大于以上prefix-tuning默认的10个token,不过差异在于prompt-tuning只对输入层(Embedding)进行微调,而Prefix是对虚拟Token对应的上游layer全部进行微调。因此Prompt-tuning的微调参数量级要更小,且不需要修改原始模型结构,这是“简化”的来源。相同的prefix长度,Prompt-tuning(<0.01%)微调的参数量级要比Prefix-tuning(0.1%~1%)小10倍以上,如下图所示

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为什么上面prefix-tuning只微调embedding层效果就不好,放在prompt-tuning这里效果就好了呢?因为评估的任务不同无法直接对比,个人感觉有两个因素,一个是模型规模,另一个是继续预训练,前者的可能更大些,在下面的消融实验中会提到

效果&消融实验

下图,在SuperGLUE任务上,随着模型参数的上升,Promp-tuning快速拉近和模型微调的效果,110亿的T5模型(上面prefix-tuning使用的是15亿的GPT2),已经可以打平在下游多任务联合微调的LM模型,并且远远的甩开了Prompt Design(GPT3 few-shot)

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作者也做了全面的消融实验,包括以下4个方面,最核心的感受就是只要模型足够够大一切都好说

  1. prompt长度(a):固定其他参数,作者尝试了{1,5,20,100,150}, 当模型规模到百亿后,只要prompt长度大于1,更长的prompt并不能带来效果提升
  2. Prompt初始化(b): 作者尝试了随机uniform初始化,用标签文本空间初始化,和用Top5K高频词采样初始化,在10^8规模,标签词初始化效果最好。作者发现预测label也会在对应prompt空间内。不过到百亿规模后,初始化带来的影响就会消失
  3. T5继续预训练(c):作者认为T5本身的Span Corruption预训练目标和掩码词,并不适合冻结LM的场景,因为在微调中模型可以调整预训练目标和下游目标的差异,而只使用prompt可能无法弥合差异。其实这里已经能看出En-Dn框架在生成场景下没有GPT这样的Decoder来的自然。因此作者基于LM目标对T5进行继续预训练
  4. 继续预训练step(d):以上的继续预训练steps,继续预训练步数越高,模型效果在不同模型规模上越单调。

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可解释

考虑Prompt-tuning使用Embedding来表征指令,可解释性较差。作者使用cosine距离来搜索prompt embedding对应的Top5近邻。发现

  • embedding的近邻出现语义相似的cluster,例如{ Technology / technology / Technologies/ technological / technologies }, 说明连续prompt实际可能是相关离散prompt词的聚合语义
  • 当连续prompt较长(len=100), 存在多个prompt token的KNN相同:个人认为这和prefix-tuning使用MLP那里我的猜测相似,prompt应该是一个整体
  • 使用标签词初始化,微调后标签词也大概率会出现在prompt的KNN中,说明初始化可以提供更好的prior信息加速收敛

P-Tuning

Paper: 2021.3, GPT Understands, Too prompt:Continus Prefix Prompt Task: NLU任务, 知识探测任务 github: GitHub - THUDM/P-tuning: A novel method to tune language models. Codes and datasets for paper ``GPT understands, too''. Model: GPT2 & BERT

P-Tuning和Prompt-Tuning几乎是同时出现,思路也是无比相似。不过这个在prompt综述中被归类为LM+Prompt同时微调的范式,不过作者其实两种都用了。因此还是选择把p-tuning也放到这一章,毕竟个人认为LM+Prompt的微调范式属实有一点不是太必要。。。

论文同样是连续prompt的设计。不过针对上面提到的Prompt的整体性问题进行了优化。作者认为直接通过虚拟token引入prompt存在两个问题

  • 离散性:如果用预训练词表的embedding初始化,经过预训练的词在空间分布上较稀疏,微调的幅度有限,容易陷入局部最优。这里到底是局部最优还是有效信息prior其实很难分清
  • 整体性:多个token的连续prompt应该相互依赖作为一个整体,不谋而合了!

针对这两个问题,作者使用双向LSTM+2层MLP来对prompt进行表征, 这样LSTM的结构提高prompt的整体性,Relu激活函数的MLP提高离散型。这样更新prompt就是对应更新整个lstm+MLP部分的Prompt Encoder。下面是p-tuning和离散prompt的对比

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作者分别对LAMA知识探测和SuperGLUE文本理解进行了评测。针对知识抽取,作者构建的prompt模板如下,以下3是虚拟prompt词的数量,对应prompt encoder输出的embedding数

  • BERT:(3, sub,3,obj,3)
  • GPT(3,sub,3,obj)

在知识探测任务中,默认是固定LM只微调prompt。效果上P-tuning对GPT这类单项语言模型的效果提升显著,显著优于人工构建模板和直接微调,使得GPT在不擅长的知识抽取任务中可以基本打平BERT的效果。

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针对SuperGLUE作者是做了LM+Prompt同时微调的设定。个人对LM+prompt微调的逻辑不是认同,毕竟1+1<2,同时微调它既破坏了预训练的语言知识,也没节省微调的参数量级,感觉逻辑上不是非常讲的通(哈哈坐等之后被打脸)。结论基本和以上知识探测相似

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开头说优点,结尾说下局限性

  • 可解释性差:这是所有连续型prompt的统一问题
  • 收敛更慢: 更少的参数想要撬动更大的模型,需要更复杂的空间搜索
  • 可能存在过拟合:只微调prompt,理论上是作为探针,但实际模型是否真的使用prompt部分作为探针,而不是直接去拟合任务导致过拟合是个待确认的问题
  • 微调可能存在不稳定性:prompt-tuning和p-tuning的github里都有提到结果在SuperGLUE上无法复现的问题

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Reference

  1. CTRL: A CONDITIONAL TRANSFORMER LANGUAGE MODEL FOR CONTROLLABLE GENERATION。可以当做prefix-tuning的前导文来看
  2. WRAP: Word-level Adversarial ReProgramming。介于Prefix-tuning和Prompt-tuning之间,这里就不细说了
  3. 苏神P-tuning:自动构建模版,释放语言模型潜能 - 科学空间|Scientific Spaces

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