P-tuning：自动构建模版，释放语言模型潜能

在之前的文章《必须要GPT3吗？不，BERT的MLM模型也能小样本学习》中，我们介绍了一种名为Pattern-Exploiting Training（PET）的方法，它通过人工构建的模版与BERT的MLM模型结合，能够起到非常好的零样本、小样本乃至半监督学习效果，而且该思路比较优雅漂亮，因为它将预训练任务和下游任务统一起来了。然而，人工构建这样的模版有时候也是比较困难的，而且不同的模版效果差别也很大，如果能够通过少量样本来自动构建模版，也是非常有价值的。

最近Arxiv上的论文《GPT Understands, Too》提出了名为P-tuning的方法，成功地实现了模版的自动构建。不仅如此，借助P-tuning，GPT在SuperGLUE上的成绩首次超过了同等级别的BERT模型，这颠覆了一直以来“GPT不擅长NLU”的结论，也是该论文命名的缘由。

什么是模版 #

所谓PET，主要的思想是借助由自然语言构成的模版（英文常称Pattern或Prompt），将下游任务也转化为一个完形填空任务，这样就可以用BERT的MLM模型来进行预测了。比如下图中通过条件前缀来实现情感分类和主题分类的例子：

当然，这种方案也不是只有MLM模型可行，用GPT这样的单向语言模型（LM）其实也很简单：

不过由于语言模型是从左往右解码的，因此预测部分只能放在句末了（但还可以往补充前缀说明，只不过预测部分放在最后）。

某种意义上来说，这些模版属于语言模型的“探针”，我们可以通过模版来抽取语言模型的特定知识，从而做到不错的零样本效果，而配合少量标注样本，可以进一步提升效果，这些在《必须要GPT3吗？不，BERT的MLM模型也能小样本学习》中已经比较详细讨论过了。

然而，前面已经说了，对于某些任务而言，人工构建模版并不是那么容易的事情，模型的优劣我们也不好把握，而不同模型之间的效果差别可能很大，在这种情况下，人工标注一些样本可能比构建模版还要轻松得多。所以，如何根据已有的标注样本来自动构建模版，便成了一个值得研究的问题了。

P-tuning #

P-tuning重新审视了关于模版的定义，放弃了“模版由自然语言构成”这一常规要求，从而将模版的构建转化为连续参数优化问题，虽然简单，但却有效。

模版的反思 #

首先，我们来想一下“什么是模版”。直观来看，模版就是由自然语言构成的前缀/后缀，通过这些模版我们使得下游任务跟预训练任务一致，这样才能更加充分地利用原始预训练模型，起到更好的零样本、小样本学习效果。

等等，我们真的在乎模版是不是“自然语言”构成的吗？

并不是。本质上来说，我们并不关心模版长什么样，我们只需要知道模版由哪些token组成，该插入到哪里，插入后能不能完成我们的下游任务，输出的候选空间是什么。模版是不是自然语言组成的，对我们根本没影响，“自然语言”的要求，只是为了更好地实现“一致性”，但不是必须的。于是，P-tuning考虑了如下形式的模版：

这里的[u1]～[u6]，代表BERT词表里边的[unused1]～[unused6]，也就是用几个从未见过的token来构成模板，这里的token数目是一个超参数，放在前面还是后面也可以调整。接着，为了让“模版”发挥作用，我们用标注数据来求出这个模板。

如何去优化 #

这时候，根据标注数据量的多少，我们又分两种情况讨论。

第一种，标注数据比较少。这种情况下，我们固定整个模型的权重，只优化[unused1]～[unused6]这几个token的Embedding，换句话说，其实我们就是要学6个新的Embedding，使得它起到了模版的作用。这样一来，因为模型权重几乎都被固定住了，训练起来很快，而且因为要学习的参数很少，因此哪怕标注样本很少，也能把模版学出来，不容易过拟合。

第二种，标注数据很充足。这时候如果还按照第一种的方案来，就会出现欠拟合的情况，因为只有6个token的可优化参数实在是太少了。因此，我们可以放开所有权重微调，原论文在SuperGLUE上的实验就是这样做的。读者可能会想：这样跟直接加个全连接微调有什么区别？原论文的结果是这样做效果更好，可能还是因为跟预训练任务更一致了吧。

此外，在上面的例子中，目标token如“很”、“体育”是人为选定的，那么它们可不可以也用[unused*]的token代替呢？答案是可以，但也分两种情况考虑：1、在标注数据比较少的时候，人工来选定适当的目标token效果往往更好些；2、在标注数据很充足的情况下，目标token用[unused*]效果更好些，因为这时候模型的优化空间更大一些。

增强相关性 #

在原论文中，P-tuning并不是随机初始化几个新token然后直接训练的，而是通过一个小型的LSTM模型把这几个Embedding算出来，并且将这个LSTM模型设为可学习的。这样多绕了一步有什么好处呢？原论文大概的意思是：LSTM出现的token表示相关性更强，某种程度上来说更像“自然语言”（因为自然语言的token之间不是独立的），此外还能防止局部最优。我在Github上进一步向作者确认了一下（参考这里），效果上的差别是通过LSTM多绕一步的方法可以使得模型收敛更快、效果更优。

然而，这样多了一个LSTM，总感觉有些别扭，而且实现上也略微有点麻烦。按照作者的意思，LSTM是为了帮助模版的几个token（某种程度上）更贴近自然语言，但这并不一定要用LSTM生成，而且就算用LSTM生成也不一定达到这一点。笔者认为，更自然的方法是在训练下游任务的时候，不仅仅预测下游任务的目标token（前面例子中的“很”、“新闻”），还应该同时做其他token的预测。

比如，如果是MLM模型，那么也随机mask掉其他的一些token来预测；如果是LM模型，则预测完整的序列，而不单单是目标词。这样做的理由是：因为我们的MLM/LM都是经过自然语言预训练的，所以我们（迷之自信地）认为能够很好完成重构的序列必然也是接近于自然语言的，因此这样增加训练目标，也能起到让模型更贴近自然语言的效果。经过笔者的测试，加上这样辅助目标，相比单纯优化下游任务的目标，确实提升了效果。

实验与效果 #

所谓“talk is cheap, show me the code”，又到了喜闻乐见的实验时间了。这里分享一下P-tuning的实验结果，其中还包括笔者对P-tuning的实现思路，以及笔者在中文任务上的实验结果。

停止的梯度 #

怎么实现上述的P-tuning算法比较好呢？如果是放开所有权重训练，那自然是简单的，跟普通的BERT微调没有什么区别。关键是在小样本场景下，如何实现“只优化几个token”呢？

当然，实现的方法也不少，比如为那几个要优化的token重新构建一个Embedding层，然后拼接到BERT的Embedding层中，然后训练的时候只放开新Embedding层的权重。但这样写对原来模型的改动还是蛮大的，最好的方法是尽可能少改动代码，让使用者几乎无感。为此，笔者构思了一种用stop_gradient简单修改Embedding层的方案，大体上是将Embedding层修改如下：

class PtuningEmbedding(Embedding):
    """新定义Embedding层，只优化部分Token
    """
    def call(self, inputs, mode='embedding'):
        embeddings = self.embeddings
        embeddings_sg = K.stop_gradient(embeddings)
        mask = np.zeros((K.int_shape(embeddings)[0], 1))
        mask[1:9] += 1  # 只优化id为1～8的token
        self.embeddings = embeddings * mask + embeddings_sg * (1 - mask)
        return super(PtuningEmbedding, self).call(inputs, mode)

变量经过stop_gradient算子后，在反向传播的时候梯度为0，但是前向传播不变，因此在上述代码中，前向传播的结果不会有变化，但是反向传播求梯度的时候，梯度不为0的token由mask变量控制，其余token的梯度都为零，因此就实现了只更新部分token。

完整代码可见：

Github：https://github.com/bojone/P-tuning

对了，原论文也开源了代码：

Github：https://github.com/THUDM/P-tuning

测试与效果 #

前面已经分享了原作者在SuperGLUE上的实验结果，显示出如果配合P-tuning，那么：1、GPT、BERT的效果相比直接finetune都有所提升；2、GPT的效果还能超过了BERT。这表明GPT不仅有NLG的能力，也有NLU能力，可谓是把GPT的潜能充分“压榨”出来了，当然BERT配合P-tuning也有提升，说明P-tuning对语言模型潜能的释放是较为通用的。

原论文的实验比较丰富，建议读者仔细阅读原论文，相信会收获颇多。特别指出的是原论文的Table 2最后一列，当预训练模型足够大的时候，我们的设备可能无法finetune整个模型，而P-tuning可以选择只优化几个Token的参数，因为优化所需要的显存和算力都会大大减少，所以P-tuning实则上给了我们一种在有限算力下调用大型预训练模型的思路。

当然，笔者一直以来的观点是“没有在中文上测试过的算法是没有灵魂的”，因此笔者也在中文任务上简单测试了，测试任务跟《必须要GPT3吗？不，BERT的MLM模型也能小样本学习》一致，都是情感分类的小样本学习，测试模型包括BERT和GPT，两者的候选模版分别如下图：

注意，对于LM模型，前缀的引入非常重要，只引入后缀时效果会明显变差；而对于MLM模型，前缀的效果通常也优于后缀。总的效果如下表：
$$\begin{array}{c|cc}
\hline
& \text{验证集} & \text{测试集} \\
\hline
\text{小样本直接微调} & 88.93\% & 89.34\% \\
\text{VAT半监督学习} & 89.83\% & 90.37\% \\
\hline
\text{PET零样本} & 85.17\% & 84.27\% \\
\text{PET无监督} & 88.05\% & 87.53\% \\
\text{PET小样本} & 89.29\% & 89.18\% \\
\text{PET半监督} & 90.09\% & 89.76\% \\
\hline
\text{BERT + P-tuning} & 89.81\% & 89.75\% \\
\text{GPT + P-tuning} & 89.30\% & 88.51\% \\
\hline
\end{array}$$
其中“小样本”只用到了“少量标注样本”，“无监督”则用到了“大量无标注样本”，“半监督”则用到了“少量标注样本+大量无标注样本”，“P-tuning”都是小样本，PET的几个任务报告的是最优的人工模版的结果，其实还有更差的人工模版。从小样本角度来看，P-tuning确实取得了最优的小样本学习效果；从模版构建的角度来看，P-tuning确实也比人工构建的模版要好得多；从模型角度看，P-tuning确实可以将GPT的分类性能发挥到跟BERT相近，从而揭示了GPT也有很强的NLU能力的事实。

进一步理解 #

这一节将会介绍笔者对P-tuning的进一步思考，以求从多个维度来理解P-tuning。

离散 vs 连续 #

在P-tuning之前，也已经有一些在做模版的自动构建，如《How Can We Know What Language Models Know?》、《AutoPrompt: Eliciting Knowledge from Language Models with Automatically Generated Prompts》等，但它们搜索的都是在离散空间下搜索的自然语言模版，所以效果有所限制，并没有取得特别突出的结果。

相反，P-tuning放弃了“模版由自然语言构成”这一要求，从而将其变成了可以简单梯度下降求解的连续参数问题，效果还更好。同时，这一改动意味着P-tuning突出了模版的本质——即模版的关键在于它是怎么用的，不在于它由什么构成——给人一种去芜存菁、眼前一亮额的感觉，确实值得点赞。

（注：经读者@brotherb提醒，年初有一篇论文《Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation》提出的Prefix-Tuning方法其实已经相当接近P-tuning，两者都设计了非自然语言的模版，只不过Prefix-Tuning主要关心NLG的应用而P-tuning更加关心NLU的应用。）

Adapter #

我们还可以从Adapter的角度来理解P-tuning。BERT出来后不久，Google在论文《Parameter-Efficient Transfer Learning for NLP》中提出了一种名为Adapter的微调方式，它并不是直接微调整个模型，而是固定住BERT原始权重，然后在BERT的基础上添加一些残差模块，只优化这些残差模块，由于残差模块的参数更少，因此微调成本更低。Adapter的思路实际上来源于CV的《Learning multiple visual domains with residual adapters》，不过这两年似乎很少看到了，也许是因为它虽然提高了训练速度，但是预测速度却降低了，精度往往还有所损失。

在P-tuning中，如果我们不将新插入的token视为“模版”，是将它视为模型的一部分，那么实际上P-tuning也是一种类似Adapter的做法，同样是固定原模型的权重，然后插入一些新的可优化参数，同样是只优化这些新参数，只不过这时候新参数插入的是Embedding层。因此，从这个角度看，P-tuning与Adapter有颇多异曲同工之处。

为什么有效 #

然后，还有一个值得思考的问题：为什么P-tuning会更好？比如全量数据下，大家都是放开所有权重，P-tuning的方法依然比直接finetune要好，为啥呢？

事实上，提出这个问题的读者，应该是对BERT加个全连接层的直接finetune做法“习以为常”了。很明显，不管是PET还是P-tuning，它们其实都更接近预训练任务，而加个全连接层的做法，其实还没那么接近预训练任务，所以某种程度上来说，P-tuning有效更加“显然”，反而是加个全连接层微调为什么会有效才是值得疑问的。

去年有篇论文《A Mathematical Exploration of Why Language Models Help Solve Downstream Tasks》试图回答这个问题，大致的论证顺序是：

1、预训练模型是某种语言模型任务；

2、下游任务可以表示为该种语言模型的某个特殊情形；

3、当输出空间有限的时候，它又近似于加一个全连接层；

4、所以加一个全连接层微调是有效的。

可以看到，该论文的假设主要是第2点，其实就是直接假设了下游任务可以表达为类似PET的形式，然后才去证明的。所以这进一步说明了，PET、P-tuning等才是更自然的使用预训练模型的方式，加全连接直接finetune的做法其实只是它们的推论罢了，也就是说，PET、P-tuning才是返璞归真、回归本质的方案，所以它们更有效。

简单的总结 #

本文介绍了P-tuning，它是一种模版的自动构建方法，而通过模版我们可以从语言模型中抽取知识，完成零样本、小样本等学习任务，并且效果往往还更好。借助P-tuning，GPT也能实现优秀的NLU效果，在SuperGLUE上的表现甚至超过了BERT。除此之外，P-tuning还一种在有限算力下调用大型预训练模型的有效方案。

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