DeFINE：用于神经序列建模的深度分解输入令牌嵌入

一、说明

DeFINE，是华盛顿大学和艾伦人工智能开发的自然语言处理工具，可以处理的范围是：NLP、语言模型、LM、神经机器翻译、NMT、变压器、变压器-XL等；本文对token-bedding进行生成。

        借助DeFINE，Transformer-XL可以在低n维空间而不是高m维空间中学习输入（嵌入）和输出（分类）表示，从而显着减少参数，同时对性能的影响最小。

        DeFINE：用于神经序列建模的深度分解输入令牌嵌入，

• 提出了一种具有新型跳跃连接的分层结构，允许使用低维输入和输出层，减少总参数和训练时间，同时提供与现有方法相似或更好的性能。
• DeFINE可以很容易地整合到新的或现有的序列模型中。

二、分层组转换（HGT）

        使用N = 3的不同转换层学习令牌表示。（a） 线性变换 （b） 组线性变换 （GLT） （c） HGT

2.1. 动机和整体想法

• 大多数NLP研究使用浅层网络来学习令牌嵌入的良好近似。
• DeFINE，一种在高维空间中学习深度令牌表示的有效方法，只需最少的附加参数。
• 该方法基于Map-Expand-Reduce（MER）原理，首先将输入令牌映射到低维嵌入向量，然后使用计算高效的分层组变换（HGT）将其转换为高维空间。
• 然后将生成的向量转换为低维空间。
• 通过使用在输入层和输出层之间建立直接链接的新连接模式，促进要素重用并改进梯度流。

2.2. 映射-扩展-缩减 （MER）

• MER的第一步，Map，类似于标准序列模型。 词汇表V中的每个输入标记都映射到大小为n×1的固定维度向量ei。然而，在本文中，n的值很小（比如64或128，而典型的尺寸为400或更大）。
• 下一步 Expand，将 ei 作为输入并应用分层群变换 （HGT） 来生成大小为 k×1 的非常高维向量 ^ei，其中 k>>n。
• 最后一步Reduce将向量^ei投影到较低维空间，以生成给定输入令牌大小为m×1的最终嵌入向量eo。
• eo的尺寸可以与上下文表示模型（例如LSTM或变压器）相匹配，从而使DeFINE可以作为这些模型的输入层。

2.3. 分层组转换 （HGT）

• HGT由N层的堆栈组成。
• HGT 从第一层的 gmax 组开始，然后在每个级别将组数减少 2 倍。
• （群线性变换（GLT）最初是为了提高LSTM的效率而引入的，也稀疏了全连接层中的连接，如上所示。然而，某个组的输出仅来自输入的一小部分，因此学习弱表示。
• 形式上，在 HGT 中，第 l 层从 ei 到 ^ei 的转换为：

• 哪里：

• Wl 是在第 l 层学习的权重，FG 是群变换函数。
• 组变换将输入拆分为 g 组，每个组都使用线性变换独立处理。然后将这些组的输出连接起来以产生最终输出。

三.  DeFINE的单元

        N = 2 的 DeFINE 单元，它使用 HGT 有效地学习输入令牌表示，并与输入直接连接以最大化信息流。

• DeFINE单元由HGT变换组成。
• 使用一个简单的新跳过连接，在 HGT 中的任何层与输入 ei 之间建立直接链接，如上所述。
• 输入和输出使用拆分层分块到 gl 组中。然后混合分块的输入和输出向量。

此机制可有效地促进输入要素重用。此外，它还与输入 ei 建立直接链接，允许梯度通过多条路径回流到输入，从而提高性能。

• 输入令牌和 DeFINE 单元 （eo） 输出之间的映射可以使用查找表进行缓存，从而产生一种允许在推理时跳过 DeFINE 单元计算的机制。

堆叠转换层 FG（第 A.1 节）的不同方法，用于学习深度令牌表示。

• 此图总结了具有不同设置的不同体系结构。

四、 结果

4.1. LSTM 模型

基于RNN的语言模型在WT-103和PTB数据集上的性能。

• （a）：所提出的方法进一步提高了约3分的性能，同时只学习了1.25%（或0万个）的参数。

（b）：DeFINE的深度从3层缩放到11层。性能进一步提高了 6 个百分点，为具有更少参数的现有基于 RNN 的方法提供了有竞争力的性能（例如，参数是 Merity 等人 （1a） 的 3/2018）。

• （c）：所提出的方法将AWD-LSTM的性能提高了4个百分点，同时减少了4万个参数。

4.2. 变压器模型

Transformer-XL在Wikitext-103数据集上的性能。DeFINE 用于 N = 3、k = 4096 和 m = 384。

• 所提出的方法能够获得与Dai等人（2019）相似的性能，同时学习的参数减少了10M。

带有DeFINE的变压器XL能够实现与具有投影嵌入的标准变压器-XL相当的困惑度，同时使用的参数明显更少。

4.3. 机器翻译

基于变压器的模型（有和没有DeFINE）在神经机器翻译任务上的结果。

不同因子分解方法的不同序列模型的性能比较。 对于语言建模，性能是通过困惑来衡量的;对于机器翻译，使用 BLEU。

• OpenNMT用于变压器模型训练。

DeFINE将无检查点平均值的变压器模型的性能提高了2%，同时将参数总数减少了26%，这表明DeFINE是有效的。

4.4. 进一步分析和消融

Transformer-XL中使用的不同嵌入层的相关图（m×m），在WikiText-128上n = 384和m = 103。

DeFINE能够有效地近似标准嵌入矩阵。

Transformer-XL使用 不同分解方法的性能，有和没有Shu&Nakayama（2017）的压缩方法。

DeFINE 嵌入可以像标准嵌入一样压缩，而不会损失性能。

WikiText-103数据集上不同变换之间的比较。

左：HGT将困惑度提高了约5分，同时学习了与GLT相似数量的参数。

右：此外，当使用直接连接时，性能进一步提高了 2.9 点。

缩放深度和宽度对WT-103的影响。

对于相同的 k 值，语言模型的性能随着深度 N 的增加而提高。但是，当我们缩放深度 N 的固定值的宽度 k 时，性能并没有提高。

WT-103上的不同设置：（a）不同跳跃连接的影响。（b） 减少市面汇率作业的影响

左图：提议的跳过连接更有效。

右：有和没有这个归约步骤的性能是相似的，但是，没有归约步骤的模型会学习更多的参数。

        作者认为，ELMo和BERT等预训练语言模型架构可以从整合DeFINE中受益，以提高效率和性能。