ELECTRA : Pre-Training Text Encoders as Discriminators Rather than Generators

Author

• Kevin Clark, Minh-Thang Luong, Quoc V. Le, Christopher D. Manning

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Abstract

1. MLM 방식은 입력 토큰을 손상 시킨 후 오리지널 토큰으로 수정 하면서 학습을 진행 (예 : BERT)
   1. 다양한 다운 스트림 테스크로 트랜스퍼 되는 관점 에서는 효과적일 수 있지만, 일반적으로 많은 양의 컴퓨팅을 요구함
2. 대안으로 좀더 나은 방식을 제안 : "Replaced token detection"
   1. MASK 토큰을 쓰는 대신 미리 학습해둔 작은 뉴럴넷을 통해 생성된 유사한 단어를 사용
   2. 해당 토큰 자리의 원래 토큰을 예측하기 보다, 각 토큰이 제너레이터 샘플로 대체 되었는지 여부를 측정하는 형태로 학습
3. 실험을 통해 MLM보다 더 효율 적임을 보임
   1. Objective가 sub-sequnce가 아닌 모든 입력 토큰에 걸쳐 수행 되기 때문이라고 함.
   2. 그렇게 때문에 동일한 모델 크기, 데이터 및 컴퓨팅 능력으로 진행한 BERT나 XLNet를 능가한다
   3. 이점은 소형 모델일 경우 매우 큰 장점임
      1. GLUE(NLU Benchmark) : 1개 GPU써서 4일(GPT모델 1/30)
      2. RoBERTa의 1/4

 

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1. Introduction

문제점

1. 최근 SOTA LM 대부분이 Denoising autoencoder 형태
2. Bidirectional representation 방법 보다 효과적이지만, 하나의 학습 예제당 15%의 토큰으로만 학습
   ⇒ 계산 효율이 좋지 않음
3. Objective 종류에 따라 Pre-Train 단계와 Down-Stream Task로 트랜스퍼 된 이후 단계의 차이가 발생 할 수도 있음.

대안

1. "Replaced Token Detection" 이라는 방법을 제시
2. 이 방법은 성능도 좋지만 학습 효율이 매우 좋음

 

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2. Method

Overview - Replaced Token Detection

1. 크게 두개의 뉴럴넷("Generator G"와 "Discriminator D" ) 으로 구성 됨
2. G는 MLM 방식으로 학습
3. D는 G가 생성한 단어를 포함하여 각 단어가 원본 문장과 맞는지 아닌지를 판별하는 형태로 학습

GAN과의 차이점

1. GAN의 경우는 G와 D가 적대적으로 학습하지만, ELECTRA의 경우 G와 상관없이 original text와의 maximum likelihood를 학습
   ⇒ Generator가 우연히 정확한 토큰을 생성한 경우, 해당 토큰은 "fake"가 아닌 "real"로 간주됨.
2. Generator가 이런식으로 학습 되는 것보다, 적대적으로 학습하는게 Discriminator를 더 나쁘게 할 수 있음.
   (Generator의 성능이 100%가 되어버리면 문제가 됨)
3. 그리고 GAN을 위해 많이 사용 되는 노이즈 벡터를 추가하는 방법은 사용하지 않음.

 

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3. Experiments

3.1 Experimental setup

1. GLUE와 SQuAD에 대해서 실험 진행
2. Base 모델은 BERT와 비슷한 데이터로 pre-train 진행
   (3.3Billion tokens from Wikipedia and BooksCorpus)
3. Large 모델은 XLNet 데이터 사용
   (33Bilion tokens : Base + ClueWeb, CC, Gigaword)
4. 모델 아키텍쳐 및 대부분의 하이퍼 파라메터들은 BERT와 비슷하게 했음
   (in fact, our pre-trained weights are drop-in replacements for BERT’s)
5. GLUE fine-tuning시에 simple linear classifier를 ELECTRA의 상단에 추가함
6. SQuAD 를 위해서 XLNet에서 사용된 QA 모듈을 ELECTRA 상단에 추가함
   (정답의 SP와 EP를 독립적으로 찾지 않고, 정답이 있는지 없는지를 분류함 : 2.0을 위해서)
7. GLUE의 일부 평가 데이터 셋이 매우 작아서, fine-tuning된 모델의 정확도는 랜덤 시드에 따라 크게 변화할 수 있음 : 10개의 fine-tuning 모델의 평균값을 사용함.

 

3.2 Model Extensions

Weight Sharing

1. 모델의 효율성을 높이기 위해 Generator와 Discriminator 간의 weight를 공유 하고자 함
2. 3가지 형태로 나누어 실험 진행
   1. 실험 방법 : 500K step 훈련 후 GLUE 점수
   2. 3가지 형태 및 GLUE 점수
      1. 가중치를 공유하지 않는 경우 : 83.6
      2. Token Embedding만 공유 : 84.3
      3. Encoder의 가중치를 공유하는 경유 : 84.4 (G와 D의 사이즈가 같아야 함)
   3. 실험 결과를 보면...
      1. Discriminator는 입력된 단어(혹은 생성된 단어)에 대해서만 업데이트 하지만, Generator는 모든 토큰 임베딩을 업데이트 하기 때문에 토큰 임베딩을 공유하는 것이 효율 적임.
      2. 인코더를 모두 공유하는 것은 아주 약간의 성능 향상이 있지만,
         그것을 위해 G와 D가 같은 사이즈를 유지해야 한다는 강제가 생김.
      3. 즉, G와 D가 같은 사이즈를 유지하는 것이 좋다면, Encoder까지 공유,
         아니라면 Token Embedding 까지 공유.
3. 근데, 밑에 나오지만 해보니깐 G는 좀 작게 쓰는게 더 좋더라! 그래서..
4. 결론 : Small size의 Generator를 쓰고 Embedding 값만 공유
   1. 공유되는 Embeddings : Token embeddings, Positional embeddings
   2. 이 경우 Discriminator의 hidden states size를 사용
   3. Generator 에 linear layer를 추가

 

Smaller Generators

1. G와 D의 사이즈가 같다면, MLM 하나만 가지고 하는 것 보다 2배의 계산이 필요
   ⇒ Smaller generator를 고려
2. 다른 하이퍼 파라메터를 유지하면서 레이어 크기를 줄이는 형태를 시도
3. 학습 말뭉치의 빈도에 따라 fake token을 생성하는 "Uni-gram" generator도 고려 해봄.
4. Generator가 너무 강하면 Discriminator에 입력되는 라벨이 너무 Bias 해 질수 있음 : 너무 도전적인 과제가 되어 효과적으로 학습하는 것을 방해한다고 추측

Training Algorithms

1. ELECTRA에 다른 학습 알고리즘을 제안 : 하지만 결과는 향상되지 않음
2. Two-Stage ELECTRA : G와 D를 함께 훈련하는 대신 2단계에 걸쳐 진행
   1. N step 만큼 G만 학습
   2. D를 G의 weight로 초기화 ⇒ G는 고정시키고 D만 학습
3. Adversarial ELECTRA : GAN 버젼

 

3.3 Small Models

1. Pre-Train의 효율을 높이기 위해 단일 GPU에서 빠르게 훈련할 수 있는 작은 모델을 개발하는 것이 목표
2. BERT-base를 기준으로 하여 하이퍼 파라메터들을 줄여가며 실험
   1. 시퀀스 길이 : 512 to 128
   2. 배치 사이즈 : 256 to 128
   3. Hidden State : 768 to 256
   4. 토큰 임베딩 사이즈 : 768 to 128
3. 공정한 비교를 위해 동일한 하이퍼 파라메터를 사용해서 BERT-Small 모델도 학습
4. ELMo와 GPT, DistilBERT와 비교
5. 성능 자체도 매우 좋으며 학습 수렴도 매우 빨리 된다는 장점(BERT-Small과 비슷한 성능이 6시간 이내).

 

3.4 Large Models

1. 효율성 대신 SOTA 찾기
2. ELECTRA-Large 는 BERT-Large와 같은 사이즈
   ⇒ 400k step with batch size 2048 on XLNet data
3. GLUE : 로버타의 1/4만의 학습만으로 비슷한 성능을 보임
4. SQuAD : 연속된 토큰에 대한 처리를 추가하는 것이 향후 숙제.
   ⇒ 그럼에도 불구하고 비슷한 성능

 

3.5 Efficiency Analysis

1. 논문의 처음에서 MLM이 비효율이라고 가정 ⇒ 그러나 이것이 확실한 지를 알고 싶다.
2. 해당 부분을 해결하기 위해 3가지 실험을 진행
   • ELECTRA 15% : ELECTRA와 동일한 구조지만, D에서 15%만 처리(생성된 애들만)
     (D에서 랜덤하게 처리도 해봤는데 더 않 좋았음)
   • Replace MLM : MLM에서 [MASK] 토큰을 안쓰고 미리 학습해둔 generator가 출력한 단어를 사용
   • All-Tokens MLM : 모든 토큰에 대해서 Replace MLM을 진행
3. 모든 토큰에 대해 학습하는게 이득
4. [MASK]토큰을 쓰게 되므로써 생기는 학습과 튜닝의 불일치가 성능 저하를 준다는 것을 증명.
   ⇒ 이걸 해결 하기 위해 BERT 는 10%의 임의 토큰 대치를 쓰지만, 그것만으로는 부족
5. All-Tokens MLM에 비해 ELECTRA의 성능이 높음.
   1. 원인 파악을 위해 다양한 모델 크기에 대해 BERT와 ELECTRA를 비교
   2. ELECTRA의 이익은 모델이 작아 질수록 커짐
   3. 소형 모델 일수록 완전히 수렴되도록 훈련되어질 수 있음.
   4. ELECTRA가 완전히 훈련 된 경우 BERT보다 높은 다운 스트림 정확도를 달성 함을 보여줌.
   5. ELECTRA는 차별적 분류기로 훈련되어 전체 데이터 분포를 모델링 할 필요가 없기 때문에 BERT보다 GLUE에 대해 더 좋을 것 같음.
6. 결과

 

4. Related work

Self-Supervised Pre-training for NLP

Generative Adversarial Networks

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