Bert不完全手册2. Bert不能做NLG？MASS/UNILM/BART
Bert通过双向LM处理语言理解问题，GPT则通过单向LM解决生成问题，那如果既想拥有BERT的双向理解能力，又想做生成嘞？成年人才不要做选择！这类需求，主要包括seq2seq中生成对输入有强依赖的场景，例如翻译，生成式问答，文本摘要等等
最初Transformer的Encoder+Deocder结构是在机器翻译领域，Encoder的部分通过双向LM来抽取输入的全部上下文信息，Decoder通过单向LM在Encoder抽取信息的基础上完成生成任务。但后续的预训练模型，Bert和GPT各自选取了Transformer的一部分来实现各自的目标。Bert只用了Encoder，核心是基于AutoEncoding reconstruction loss的双向LM，适用于NLU任务。GPT只用了Decoder，核心是基于AutoRegression perplexity loss的单向语言模型，适用于NLG任务。那想要兼顾双向理解和生成能力，就要探索如何能让AE和AR在训练过程进行梦幻联动，以下分别介绍3种不同的方案
UNILM 1.0
UNILM完美诠释了MASK在手，要啥都有的极简设计原理。通过三种不同的attention MASK，使用Multitask的训练方式在相同的Transformer backbone里面实现了三种任务的融合，分别是双向LM（BERT），单向LM（GPT），seq2seqLM(transformer)。管你是Encoder还是Decoder本质只是Attention计算中可见信息的差异，那调整MASK就完事了～
预训练任务
UNILM的预训练任务，都是基于AE的reconstruction任务，和Bert相同的是，都是随机MASK15%的token，其中80%会被MASK替换，10%保留原始token，10%随机token。不同的是UNILM在80%的情况下会MASK1个token，剩余情况下会随机遮盖bigran或者trigram。
那同样是AE，UNILM是如何做到学到AR相关的信息的呢？这和UNILM的训练方式有关，它采用了Multitask的训练方式，在一个batch的样本中，采用三种不同的attention mask，让相同的模型参数分别学习单向，双向，seq2seq的语言信息，包括
- \(\frac{1}{3}\)的时间训练双向LM： 和BERT相同使用self-attention MASK，并且在以上的MLM任务上，同时也加入了NSP任务
- \(\frac{1}{3}\)训练seq2seq LM：segment1使用self-attention MASK， segment2使用Future MASK，同样是对MASK进行还原
- \(\frac{1}{6}\)的时间训练从左->右单向LM，\(\frac{1}{6}\)的时间训练从右->左单向LM：只不过这里没有使用对整个sequence进行还原的perplexity loss，而同样是对MASK进行还原，只不过只使用单向信息
这里感觉虽然UNLIM实现了单向的信息传递，但和AR之间还是有本质差异的，因为并不是对连续token进行递归预测，而依旧条件独立的对MASK token进行还原，虽然引入了bigram和trigram的MASK，但是效果有限，感觉这里限制了生成的效果。所以有没有可能在共享参数的前提下，直接引入perplexity loss进行训练呢？?????????
针对以上三种任务的输入略有差异，其中单向LM只有1个segment ”[SOS] s1 [EOS]“，双向LM和seq2seq LM都是2个segment “[SOS] s1 [EOS] s2 [EOS]”
这里会发现以上EOS token，除了和BERT相同起到分割两个segment的作用，在单向LM任务中还会起到停止符的作用，所以其实在不同LM任务中EOS的作用不同，所以这里作者在不同的LM任务中采用了不同的segment Embedding。
预训练阶段，UNILM的参数使用了Bert Large进行初始化，在以上的三个任务重参数是共享的
下游任务Finetune
在下游fientune中，针对NLU任务，迁移方式和Bert相同，例如对分类任务，UNILM会输出[SOS]token对应的Embedding，后接softmax。针对NLG任务，会随机MASK第二个segment中的token进行还原。
整体效果GLUE Benchmark比Bert略好一丢丢，在生成式问答和摘要上提升更大。哈哈具体数值就不贴了，因为马上就要被下面会提到的BART超越，可以直接在下面BART的对比结果中看UNILM的效果了。。。
MASS
MASS则完美诠释了世界是个圈，Bert和GPT费劲吧啦把Encoder和Decoder拆开，MASS又给拼了回来。所以MASS的模型结构就是经典的Encoder+Decoder的Transformer。MASS通过改良MASK机制和训练目标增强了Encoder和Decoder在预训练阶段的交互
预训练任务
MASS创新了预训练目标，结合了生成和掩码。在Encoder侧随机选取连续K个token，这里k是MASS的超参数，Decoder侧采用互补MASK，遮盖所有在Encoder侧未遮盖的token，使用Auto Regression递归预测这k个token。这种互补掩码的方式，有效增强了Decoder对Encoder的信息依赖，避免Decoder直接依赖上文信息进行预测，进而也推动了Encoder部分去学习上下文双向信息。
都是对连续token进行MASK，和SpanBert不同的是MASS采用的是固定长度，作者测试了k的不同取值对模型效果的影响。整体上K的取值是总长度的50%左右的时候效果最好。哈哈其实感觉如果用一个均值=50%的分布来采样，可能也有效果提升？？？
有意思的点在于，这里k的取值其实反映了MASS对Bert和GPT的融合权重，当K=1的时候，MASS其实等同于每次只MASK1个token的BERT模型，这时Decoder全部被MASK没有任何信息，而Encoder包含除MASK的一个token之外其余上下文信息。当K=seq_len的时候，MASS其实等同于GPT，这时Encoder没有任何信息，而Decoder部分就是传统的AR。在开头看到MASS的掩码还觉得有些摸不着头脑，看到这里感觉如果从loss function融合的角度来看，MASS的预训练目标其实可以类比Loss融合，和Huber Loss融合RMSE和MAE，以及Generalized Cross Entropy融合Cross Entropy和MAE，有着同一个世界同一个味道～～～
预训练和迁移细节这里就不多说了，因为MASS本身是为NMT翻译任务设计的，所以不管是评估还是训练都是for翻译任务的，和其他两个模型无法直接比较。不过AR和AE的融合思路设计的很巧妙，而且也不局限于NMT任务
BART
BART的模型结构和MASS相同也是Encoder+Decoder的配置，但是和MASS探索的方向不同，BART主要针对reconstruction任务中对输入信息扰动方式的探索，BERT使用的MASK本身也是一种扰动方式。
预训练任务
BART的预训练目标是reconstruction loss，通过对输入进行扰动，Encoder的输入是corrupted Sentence，然后Decoder的部分负责还原真实文本，这里只对Decoder的预测计算reconstruction loss。于是当Encoder侧的扰动是删除全部token时，BART->GPT
BART训练策略的设计和MASS相比，对Encoder和Decoder的信息交互要求并不严格，如果Deocder依赖单向信息就能很好完成任务的话，感觉Encoder部分信息会不会变得不太重要？？？
扰动方式作者尝试了以下方案
- Token Masking: 和Bert一样对token进行随机Mask，模型需要判断根据上下文还原MASK部分的语义信息
- Token Deletion：随机删除部分token，和MASK的区别在于模型需要去判断哪些位置丢失了信息
- Token Infilling：随机采样0～n个token，用一个MASK进行替换，模型除了学习MASKing部分缺失的语义，还要学习缺失token的数量，其实一定程度上是MASKing和Deletion的组合
- Token Rotation：对句子顺序进行rotate
- Token Shuffling ：对句子顺序进行随机shuffle
整体评估如下，rotation和shuffling的表现最差，这个也在预料之中如果对所有语料都完全改变顺序，模型其实就不知道正常文本顺序是什么样子的了。而Deletion比Masking在生成任务上的表现更好，一定程度上是Deletion推进模型更多focus在位置信息上，综合各个任务单一扰动机制，Infilling的效果最优。最终作者选择了Infilling+Shuffling相结合的扰动机制，Infilling会MASK30%的token，并同时对整个句子进行随机打乱。
作者还对比了不同的预训练目标的影响，注意这里和原始的模型存在出入，作者只是使用了训练目标的部分，得到以下几点结论
- 不同训练目标在不同任务下差异较大，多数任务上BART表现略好
- 在生成任务上，尤其是输入和输出关联性较低的ELI5，单向语言模型一骑绝尘
- 对阅读理解，推理任务，MASK策略对应的双向语言模型表现显著更好
训练细节参考了Roberta，更大的Batch Size训练更多steps，不过因为BART本身是Encoder+Decoder所以参数量级基本上翻了一倍
下游任务迁移
BART同样可以灵活迁移到下游包括分类，序列标注，文本生成等诸多任务，微调方式各有不同。
- 分类任务：Encoder输入，Decoder递归，用BART在Decoder的末尾加入了[END]token的Embedding作为文本表征
- 序列标注任务：Encoder输入，Decoder每个位置的输出作为序列标注任务的输入
- 生成任务：Encoder输入，直接使用Decoder部分进行递归生成
- 翻译任务：翻译任务略有差异，是把BART的Embedding输入替换成一个随机初始化的Encoder，这个Encoder使得翻译任务可以使用和原始BART模型Vocab不同的输入。当然random init的部分需要先进行独立训练，再和BART一同已经微调。不过感觉这部分的调整其实和BART没啥非常紧密的联系～
整体效果，在生成任务包括摘要生成和生成式问答上BART的效果都要显著超过之前的模型。
再来关注下阅读理解任务，整体上BART和Roberta效果不相上下，所以BART在生成能力上的提高并没有以牺牲双向理解能力为代价
效果上BART自然是力压群雄，但是Encoder+Decoder的设计不管是训练还是推理都比较沉重，相比之下UNILM共享参数的设计感觉更加巧妙，所以如果能进一步在UNILM上提升效果，感觉就完美了~~
Ref
- MASS: Masked Sequence to Sequence Pre-training for Language Generation, 2019
- UNLIM, Unified Language Model Pre-training for Natural Language Understanding and Generation, 2019
- BART: Denoising Sequence-to-Sequence Pre-training for Natural Language Generation, Translation, and Comprehension, 2019
- 苏剑林. (Sep. 18, 2019). 《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask 》[Blog post]. Retrieved from https://spaces.ac.cn/archives/6933
- https://www.jiqizhixin.com/articles/2020-09-24