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Prefix-Tuning - 论文精读学习笔记全文梗概背景相关工作方法任务定义方法:Prefix-Tuning问题陈述Autoregressive LMEncoder-Decoder ArchitectureFine-tuningPrefix-TuningIntuitionMethodParametrization of Table-to-text
Generation 任务Summarization
任务Low-data Setting(低资源分析)ExtrapolationIntrinsic EvaluationPrefix Length(前缀长度分析)Full vs Embedding-onlyPrefix-tuning vs Infix-tuningInitializationData Efficiency讨论PersonalizationBatching across usersInductive bias of prefix-tuning补充总结参考博文
提前说明:本系列博文主要是对参考博文的解读与重述(对重点信息进行标记、或者整段摘录加深自己的记忆和理解、融合多个博文的精髓、统合不同的代表性的案例),仅做学习记录笔记使用。与君共享,希望一同进步。
本文提出一种prefix-tuning方法,其是一个轻量级的fine-tuning方法用于自然语言处理的生成任务。该方法可以保持预训练语言模型参数固定(frozen),而只需要在task-specific vector(称为prefix)上进行优化。即只需要少量(约0.1%)的优化参数,即可以在量和小量数据上达到不错的效果。
研究内容:预训练语言模型;Prompt框架
核心内容:Prompt-based Fine-tuning
核心要点
template的构建:不采用离散的template token,而使用连续可调的矩阵来调整template;
将prompt-tuning用于语言模型的生成任务上。
Prefix-Tuning是一种微调方法,只需极少量参数就能达到全量微调的性能,适用于大模型如GPT-2。
它通过优化连续的前缀向量,减少了对模型原有参数的修改,支持多任务和低资源场景,并且在实验中表现出与全量微调相当甚至更好的效果。
摘要 完整微调需要存储所有的参数,本文提出prefix-tuning,可以冻结语言模型参数,优化一系列连续的特定任务的向量,称为prefix。实验部分对GPT-2进行微调,仅修改0.1%的参数,就得到了可比较的性能,并且在低资源场景优于全量微调。
博文2
传统的fine-tuning是在大规模预训练语言模型上完成的,而大规模模型非常expensive;
微调(Fine-tunning)是使用大型预训练语言模型执行诸如摘要的下游任务的普遍方法,但它需要替换和存储LM的所有参数,因此,构建和部署依赖于大型预训练语言模型的NLP系统,需要为每个任务存储一个修改过的语言模型参数副本,由于预训练模型都有很大的参数量,这一操作可能是非常昂贵的。一种解决这个问题的方法是采用轻量级的微调(ligthweight fine-tuning),即先固定预训练语言模型的参数,然后只对一小部分的可训练参数进行微调;
解决这个问题的一种自然方法是轻量微调(lightweight fine-tunning),它冻结了大部分预训练参数,并用小的可训练模块来增强模型,比如在预先训练的语言模型层之间插入额外的特定任务层。适配器微调(Adapter-tunning)在自然语言理解和生成基准测试上具有很好的性能,通过微调,仅添加约2-4%的任务特定参数,就可以获得类似的性能。GPT-3提出了一种不需要引入任何参数的fine-tuning方法,即in-context prompting;
GPT-3可以在不进行任何特定于任务的微调的情况下部署,即用户在任务输入前添加一个自然语言任务指令和一些示例,然后从LM生成输出。这种方法被称为情境学习(in-context learning)或提示(prompting)。受到prompt的启发,提出一种prefix-tuning方法用于生成任务上;
本文提出了前缀微调(prefix-tunning),用于生成任务的轻量微调。前缀微调将一个连续的特定于任务的向量序列添加到输入,称之为前缀,如Figure 1 中的红色块所示。与提示(prompt)不同的是,前缀完全由自由参数组成,与真正的token不对应。相比于传统的微调,前缀微调只优化了前缀。因此,我们只需要存储一个大型Transformer和已知任务特定前缀的副本,对每个额外任务产生非常小的开销。Prefix-tuning(前缀微调),对于特定的任务优化一个连续的向量序列(continuous task-specific vector, called prefix),添加到每一层当中。
只需要保存prefix部分的参数即可;
固定预训练语言模型的大部分参数,而只对小部分的参数进行更新;
Controllable generation:可控生成旨在引导预训练的语言模型以匹配句子级别的属性。
全量微调成本高昂,比如GPT-2有774M个参数,GPT-3有175B个参数。
※ 一个自然的解决方法是轻量级微调,即冻结大部分参数,只调整较小部分参数。如Adapter-tuning在模型层中间插入任务特定的层,在仅添加2—4%的参数就得到可比的性能。
对于大语言模型如GPT-3,可以采用上下文学习,不需要改变任何参数,但是受限于输入长度的限制,只适合小的训练集。
prefix-tuning将一系列连续的特定于任务的向量添加到输入中,如Figure 1 下面部分所示。这些前缀向量并不能够映射到真正的实体token,可以理解为“虚拟token”。微调过程只更新添加的前缀向量,从而减少开销。
与全量微调不同,prefix-tuning是模块化的,可以通过训练一个上游的前缀指导未修改的模型,这样一个LLM可以支持多任务。此外,这种架构可以支持一个batch中处理多用户/任务的请求。
实验部分,prefix-tuning几乎达到全量微调的效果,在低资源场景下,更是优于全量微调。
prefix-tuning是模块化的,只需要为每个用户提供独立的prefix(很方便不同用户灵活插入删除),避免了数据交叉污染(data cross-contamination)。此外,任务可以在一个batch请求中完成,这也是fine-tuning不具备的。存储空间也比finetune少1000倍。
1 Fine-tuning for natural language generation
微调已经成为自然语言生成领域训练模型的一种普遍范式。
2 Lightweight fine-tuning
轻量级fine-tuning:Adapter-fintuning在自然语言理解和生成指标上基本和finetune相当,只增加2~4%左右任务相关的参数。
Adapter-tuning:在已经训练好的各个语言模型层当中插入额外的特定任务的层。
Lightweight fine-tuning:选择一些参数进行调整。
轻量级微调方法核心思想是冻结大部分参数,只训练少量参数以尽可能达到原来效果。
方法包括研究特定任务的参数掩码,插入可训练参数的模块,如adapter,但是本文的方法比该方法在参数上进一步减少了30倍。
3 Prompting
常见的prompt是通过手动设计提示的方式调整模型生成。但是本文的prompt为连续前缀,更具有表现力,可以优化任务特定的prefix。
in-context learning or promting: 即GPT3中说的few-shot learning/zero-shot learning/one-shot learning.
上下文学习:一种比较极限的情况,不用修改参数。
4 Controllable generation
可控生成旨在引导预训练的语言模型匹配句子级属性,控制过程可以在训练时或者解码时进行,但是没有直接的方法对生成的内容实施细粒度的控制,如表格到文本、摘要任务等。
5 P*-tuning
所有P-tuning都是基于优化连续的prefix或者prompt的思想。调整软提示优于先前对离散提示优化的工作。Prompt-tuning的工作表明全量微调和P*-tuning之间的性能差距随着模型的大小增大而消失。
Prefix-tuning:尝试在输入层和每一个transformer层引入预先设置好的前缀,在训练的过程中frozen模型内部参数,仅仅训练前缀。
本文考虑两个生成任务:table-to-text 和 摘要任务。
table-to-text任务:输入
自回归模型:在某一时刻
整体采用encoder-to-decoder架构;
对于table-to-text任务,本文使用自回归语言模型GPT-2,输入为source(
对于摘要任务:本文使用BART模型,编码器输入source 文本
在传统微调方法中,模型使用预训练参数进行初始化,然后用对数似然函数进行参数更新。
关于前缀/提示的设计,我们可以给模型若干的字词作为提示,比如我们想让模型生成“Obama”,那我们可以在其常见的搭配前加上上下文(例如,Barack),那么LM就会把更高的可能性分配给想要的单词。但是对于很多生成任务来说,找到合适的离散的前缀进行优化是非常困难的,尽管它的效果是不错的。
因此本文将指令优化为连续的单词嵌入,而不是通过离散的token进行优化,其效果将向上传播到所有Transformer激活层,并向右传播到后续的token。严格来说,这比离散提示符更具表达性,后者需要匹配嵌入的真实单词。
可以将token优化为连续词嵌入,而不是优化离散标记,其效果将向上传播到所有 Transformer 激活层,然后向右传播到后续标记。 这比需要匹配真实单词嵌入的离散提示更具表现力。 同时,这不如干预所有激活层的表现力,这避免了长期依赖并包括更多可调参数。因此,Prefix-Tuning优化了前缀部分对应的所有层参数。
考虑文本生成的场景,输入是文本,输出是token序列,如Figure 2 右边的文本摘要任务。
如Figure 2 所示的,对于自回归的模型
和编码器-解码器的模型
,prefix-tuning采用了不同的方法
添加前缀。
当然这里首先描述一下两种不同的模型架构下如何对任务进行计算:
Autoregressive LM
, 和 的拼接 表示time step 下第 层Transformer layer的激活层
首先计算
, 最终计算下一个字符的概率分布,
,其中 是可训练的,将 映射到词汇分布的预训练矩阵 Encoder-Decoder Architecture
其中
由双向编码器编码,并且用解码器自回归地去预测 ,计算方法和自回归模型类似。
自回归模型如Figure 2 顶部所示,
此外也可以采用encoder-decoder架构的模型如BART,输入通过encoder进行编码,输出通过decoder自回归预测,如如Figure 2 的下面部分所示。
如果采用fine-tuning ,对以下对数目标执行梯度更新,全量微调更新目标如下:
本文采用了Prefix-Tuning的方法来替代上文说的Fine-Tuning。
基于提示的直觉,我们相信拥有一个适当的上下文可以在不改变LM参数的情况下引导LM。例如,如果我们希望LM生成一个单词(例如,Obama),我们可以将它的公共组合作为上下文(例如,Barack),然后LM将为所需的单词分配更高的概率。
直观地说,上下文可以通过指导从
中提取的内容来影响 x 的编码;并可以通过指导下一个令牌分布来影响 的生成。 然而,这种上下文是否存在并不明显,离散的优化在计算上具有挑战性。
本文使用在连续的嵌入空间优化前缀,这会影响后续的层和位置的预测输出,不需要更新所有的层,也不需要直接作用在整个网络上,less expensive。
上下文可以引导模型生成想要的内容,但是离散的自然语言在计算上具有挑战性。因此可以考虑优化连续的词embedding,这比受限的离散的prompt更具有表现性,此外,prefix-tuning可以直接修改网络更深处的表示,从而避免跨网络深度的长计算路径(因为每一层都有)。
prompting启示我们,适当的上下文可以在不改变参数的情况下引导LM。但是通常来说,离散的“命令”可以指导专家标注,但是不能指导模型工作,因此我们可以采用连续的字符嵌入来优化,即对transformer的所有层添加一个前缀。
对于自回归模型,调整
对于encoder-decoder架构,调整为
如Figure 2 所示。
微调时,只对前缀参数进行梯度更新。
博文4
对于上式第一行,指在前缀序列内,直接拿着一个可训练的向量
与前缀相乘即可。
博文2 添加一个prefix,自回归模型表示为
,encoder-decoder模型表示为 ; 输入部分 prefix, x, y的position id分别记作 P_idx, X_idx, Y_idx;
prefix-tuning 初始化一个训练的矩阵,记作
,这部分参数用于存储prefix parameters,如公式(3)所示。 即,处于前缀部分token,参数选择设计的训练矩阵,而其他部分的token,参数则固定且为预训练语言模型的参数。
训练目标为:公式(2)。
博文3
对于自回归模型,加入前缀的模型输入表示:
对于编解码器结构的模型,加入前缀后的模型输入表示:
本文构造一个矩阵
去存储前缀参数,该前缀是自由参数。 目标函数依旧是公式(2),但是语言模型的参数是固定的,只更新前缀参数。
除此之外,作者发现直接更新前缀参数会出现不稳定的情况,甚至模型表现还有轻微的下降,因此作者对前缀参数矩阵进行重参数化:
其中
在第二维的维数要比 小,然后经过一个扩大维数的MLP,一旦训练完成,这些重参数化的参数就可以丢弃,只保留 。
博文4
通过添加prefix给自回归网络,得到
; 或者给encoder-decoder结构生成
; 用
来表示前缀的长度。 首先初始化一个可调的矩阵
。 训练时,固定网络参数,只有前缀
可调。 另外,
可视为 的函数。 作者发现,直接优化参数
非常不稳定,对初始化和学习率都是很敏感的。所以作者用一个小一点的矩阵 和一个较大的前馈网络 来组成 。
直接更新
作者在三个数据集上评估表格到文本的任务,在XSUM数据集上评估摘要任务,如Table 1 所示:
table-to-text任务:
数据集:E2E,WebNLG,DART
指标:BLEU, METEOR, TER, Mover-Score, BERTScore, BLEURT
摘要任务:
数据集:XSum
指标: ROUGE-1, ROUGE-2, ROUGE-L
对于表格到文本生成任务,作者对比了全量微调、FT-top2和adapter-tuning三种方法。此外对于每个数据集的SOTA方法也进行了对比。
表格到文本生成任务上,作者采用了
超参数的设置附录中有。
训练中,无论时间还是空间效率,Prefix-tuning都要略胜一筹。
Table-to-text
Generation 任务实验发现仅仅更新0.1%的任务特定参数,就能够超越其它轻量级baseline,达到与全量微调可比的性能。
当把可训练参数都调整为0.1%时,可以发现prefix-tuning明显优于ADAPTER。此外,在DART上获得良好的性能表明prefix-tuning可以推广到不同领域的大量关系表中。
总的来说,prefix-tuning应用到自回归模型上,高效且节约时间,并且随着模型规模的夸大,性能仍能提升,说明其有潜力扩展到更大的模型。
博文2
实验对比了标准fine-tunine,主要在E2E、WebNLG和DART三个table-to-text任务上实现。发现prefix-tuning有所提升,如Table 2 。
Summarization
任务摘要任务结果如Table 3 所示,prefix-tuning和全量微调还是有差距,这与文本生成任务的结果有所不同,有如下几点原因:
XSUM数据集是三个table-to-text数据集的三倍。
输入的文章比table-to-text的输入长17倍。
摘要任务更复杂,因为需要从文本中挑选关键内容。
为了更系统探索低资源场景设置,作者的对数据集进行了二次采样,获得大小为50、100、200、500的数据,每组数据都采样五种不同的数据集。
Figure 3 右边可以看出低资源场景下prefix-tuning的性能优于全量微调,但是随着数据集增加差距会减小。
这里探索泛化性能,即在未见的主题上的表现能力。作者对数据集进行了重新划分,使部分类别仅在测试时出现。table-to-text数据集分割WebNLG,摘要任务将数据集分为新闻-to-体育(新闻上训练,体育上测试),以及新闻内数据(部分领域上训练,其它领域上测试)。
结果见Table 2 中间U部分和Table 4 ,prefix-tuning性能都比全量微调要好。
较长的前缀表明可训练参数的增加,性能会随着提升。
不同任务前缀长度阈值不同,超过阈值容易过拟合。
根据Table 5 可以看出,仅微调embedding的表现力不够,但也优于离散提示优化,模型表达能力有着如下的规律: 离散提示 < embedding-only < prefix-tuning 。
这里的full意思是指在模型的每一层前面都添加前缀,而embedding-only仅在输入embedding前加入prefix,这样的表现力是不够的。
此外,作者还研究了可训练的参数在序列中位置的影响。Table 5 下面部分是Infix的结果,性能略低于prefix-tuning,可能原因是前者只能影响y,而后者可以影响x和y。
随机初始化在低资源场景对结果有很大影响,性能低、方差大,使用真实单词初始化(特别是任务相关)可以调高生成速度。在完整训练场景下,初始化没有影响。
此外作者还比较了不同的数据规模下,prefix-tuning和全量微调的比较。
超过20%数据上,prefix-tuning比全量微调要好,10%的数据规模,随机初始化的prefix-tuning和全量微调效果类似,因此需要初始化技巧来提高性能。
当大量任务需要独立训练,又面临用户隐私问题时,可以采用prefix-tuning这种模块化方式,通过添加或删除用户的prefix来灵活添加、删除用户。
在相同的个性化设置下,prefix-tuning允许批量处理用户的请求,即在用户输入前面加上个性化前缀,从而提高效率。
保留LM参数有助于泛化到未见过的领域,但是如何进一步改进是一个问题。prefix-tuning和adapter都保留了LM的完整,影响Transformer的激活层。但是前者只需要更少的参数就可以保持可比的性能,作者认为前缀调整尽可能保持预训练的LM完整。
博文1 作为LLM参数有效性学习的经典文章,prefix-tuning思路清晰,方法简单,效果惊人。作者借鉴prompt的思想,在模型的每一层前面加上可训练的前缀参数,并在训练中冻结其它参数,这种每一层都加上前缀的方式,恰如每一层都对后面的序列进行指令微调,层层递进,因此效果显著。实验部分通过两个场景的任务,先是和全量微调、adapter进行对比,再比较prefix的位置,prefix的长度,低资源场景设置,但是实验往往追求广而深,作者深度显然是够了,但是不够广,作者只在两个NLP任务、4个数据集上进行实验,要是能够在更多任务上进行对比,那么就更具有说服力了。此外,作者忽略了加入prefix,token序列长度进一步被压缩的限制。最后还有一点我个人的想法,如果能够将prefix调整的过程可视化,观察prefix究竟是怎样的变化过程,以及到底有多少参数是真正参与到微调的过程,那么就能够知道prefix最合适的长度范围了,当然这也是任务相关的。
博文3 本文提出一种更好的微调方法,通过加入前缀实现统一模型在不同任务上的微调,实现小样本学习,极大地减少了参数量。目前对于前缀的构造,大致可以分为本文的连续前缀和离散前缀(自动生成或手动设计),对于在摘要任务上加入离散前缀,有点类似于从对话中提取特征或结构,但这种方法的优势就在于它不需要大量的样本,而传统的融入结构的方法仍然需要很多样本。感觉这种方法可能是摘要任务之后的趋势之一。
【NLP经典论文精读】Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation
点评:★★★★☆,基本上是对全文的整体介绍。
论文解读:Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation
点评:★★★☆☆,对博文1进行了一些简单的补充。
《Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation》阅读笔记
点评:★★★☆☆,对一些其他博文中的细节进行了补充,发现了一个很有意思的现象,同样是一个实验结果或者一段英文描述,不同人的看法却可能大不相同,有的描述甚至完全不一样。看来先知识这个概念真的很work!有先验知识的人可能看得更深,说的更明白吧!!
Prefix-Tuning, Optimizing Continuous Prompts for Generation
点评:★★★☆☆,同博文2的作用一样吧~!
Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation
点评:★★★☆☆,虽然内容不多,但是感觉对一些问题的认识更深些。
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