BERT和GPT模型简介

1. 引言

从现在的大趋势来看，使用某种模型预训练一个语言模型看起来是一种比较靠谱的方法。从之前 AI2 的 ELMo，到 OpenAI 的 fine-tune transformer，再到 Google 的 BERT、GPT，全都是对预训练的语言模型的应用。

本文将主要介绍 BERT 和 GPT 这两种常见语言模型及其应用场景，较少涉及具体原理的讲解（自身水平不足）。

2. BERT

2.1 简介

BERT 在2018年出现，被认为是 NLP 的 ImageNet 时刻，可以最好地表示单词和句子，增强对自然语言的理解，进而最好地捕捉基本语义和关系，有效增强了很多下游 NLP 任务的性能。BERT 可以理解为一个非常大的已经训练好的语言模型，涵盖了尽可能多的知识，能够作为很多任务的前置处理模块，类似预处理模块。

BERT 开发的两个步骤：第 1 步，你可以下载预训练好的模型（这个模型是在无标注的数据上训练的，可免费下载）。然后在第 2 步只需要关心模型微调即可。

BERT 模型都有大量的 Encoder 层，BASE 版本由 12 层 Encoder，Large 版本有 20 层 Encoder。同时，这些 模型也有更大的前馈神经网络（分别有 768 个和 1024 个隐藏层单元）和更多的 attention heads（分别有 12 个和 16 个），超过了原始 Transformer 论文中的默认配置参数。

2.2 举例说明（句子分类）

为了训练这样一个模型，你主要需要训练分类器（上图中的 Classifier），在训练过程中几乎不用改动BERT模型（可固定这部分的参数不变，仅更新分类器模块的参数）。这个训练过程称为微调，是迁移学习的概念。

2.2.1 模型输入

第一个输入的 token 是特殊的 [CLS]，它 的含义是分类（class的缩写）。

就像 Transformer 中普通的 Encoder 一样，BERT 将一串单词作为输入，这些单词在 Encoder 的栈中不断向上流动。每一层都会经过 Self Attention 层，并通过一个前馈神经网络，然后将结果传给下一个 Encoder。

在模型架构方面，到目前为止，和 Transformer 是相同的（除了模型大小，因为这是我们可以改变的参数）。我们会在下面看到，BERT 和 Transformer 在模型的输出上有一些不同。

2.2.2 模型输出

每个位置输出一个大小为 hidden_size（在 BERT Base 中是 768）的向量。对于上面提到的句子分类的例子，我们只关注第一个位置的输出（输入是 [CLS] 的那个位置）。

这个输出的向量现在可以作为后面分类器的输入。论文里用单层神经网络作为分类器，取得了很好的效果。

如果你有更多标签（例如你是一个电子邮件服务，需要将邮件标记为 “垃圾邮件”、“非垃圾邮件”、“社交”、“推广”），你只需要调整分类器的神经网络，增加输出的神经元个数，然后经过 softmax 即可。

2.3 词嵌入技术

2.3.1 Word2Vec

单词不能直接输入机器学习模型，而需要某种数值表示形式，以便模型能够在计算中使用。通过 Word2Vec，我们可以使用一个向量（一组数字）来恰当地表示单词，并捕捉单词的语义以及单词和单词之间的关系。

人们很快意识到，相比于在小规模数据集上和模型一起训练词嵌入，更好的一种做法是，在大规模文本数据上预训练好词嵌入，然后拿来使用。因此，我们可以下载由 Word2Vec 和 GloVe 预训练好的单词列表，及其词嵌入。

2.3.2 语境词嵌入

如果我们使用 Glove 的词嵌入表示方法，那么不管上下文是什么，单词 “stick” 都只表示为同一个向量。一些研究人员指出，像 “stick” 这样的词有多种含义。为什么不能根据它使用的上下文来学习对应的词嵌入呢？这样既能捕捉单词的语义信息，又能捕捉上下文的语义信息。于是，语境化的词嵌入模型应运而生。

ELMo 没有对每个单词使用固定的词嵌入，而是在为每个词分配词嵌入之前，查看整个句子，融合上下文信息。它使用在特定任务上经过训练的双向 LSTM 来创建这些词嵌入。

2.4 下游任务的迁移学习

BERT 的论文展示了 BERT 在多种任务上的应用。

使用 BERT 并不是只有微调这一种方法。就像 ELMo 一样，你可以使用预训练的 BERT 来创建语境化的词嵌入。然后你可以把这些词嵌入用到你现有的模型中。论文里也提到，这种方法在命名实体识别任务中的效果，接近于微调 BERT 模型的效果。

尝试 BERT 的最佳方式是通过托管在 Google Colab 上的 BERT FineTuning with Cloud TPUs。如果你之前从来没有使用过 Cloud TPU，那这也是一个很好的尝试开端，因为 BERT 代码可以运行在 TPU、CPU 和 GPU。

3. GPT

GPT 更多地用于自然语言生成，比如写文章、写诗等创作型任务，它本质上是一个语言模型。语言模型基本上是一个机器学习模型，它可以根据句子的一部分预测下一个词。最著名的语言模型就是手机键盘，它可以根据你输入的内容，提示下一个单词。从这个意义上讲，GPT-2 基本上就是键盘应用程序中预测下一个词的功能，但 GPT-2 比你手机上的键盘 app 更大更复杂。GPT-2 是在一个 40 GB 的名为 WebText 的数据集上训练的，OpenAI 的研究人员从互联网上爬取了这个数据集，作为研究工作的一部分。

GPT-2 是使用 Transformer 的 Decoder 模块构建的。另一方面，BERT 是使用 Transformer 的 Encoder 模块构建的。这些模型的实际工作方式是，在产生每个 token 之后，将这个 token 添加到输入的序列中，形成一个新序列。然后这个新序列成为模型在下一个时间步的输入。这是一种叫“自回归（auto-regression）”的思想。这种做法可以使得 RNN 非常有效。