大词表语言模型在续写任务上的一个问题及对策

2023-09-22 14:09

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 苏剑林

单位 | 科学空间

研究方向 | NLP、神经网络

对于 LLM 来说，通过增大 Tokenizer 的词表来提高压缩率，从而缩短序列长度、降低解码成本，是大家都喜闻乐见的事情。毕竟增大词表只需要增大 Embedding 层和输出的 Dense 层，这部分增加的计算量几乎不可感知，但缩短序列长度之后带来的解码速度提升却是实打实的。

当然，增加词表大小也可能会对模型效果带来一些负面影响，所以也不能无节制地增加词表大小。本文就来分析增大词表后语言模型在续写任务上会出现的一个问题，并提出参考的解决方案。

优劣分析

增加词表大小的好处是显而易见的。一方面，由于 LLM 是自回归的，它的解码会越来越慢，而“增大词表 → 提高压缩率 → 缩短序列长度”，换言之相同文本对应的 tokens 数变少了，也就是解码步数变少了，从而解码速度提升了；另一方面，语言模型的训练方式是 Teacher Forcing，缩短序列长度能够缓解 Teacher Forcing 带来的 Exposure Bias 问题，从而可能提升模型效果。

不过增大词表的缺点也很明显，最直接的就是会割裂 token 与 token 之间在字符层面之间的联系，从而可能会影响泛化，甚至会损失做某些任务的能力。比如“太阳能”和“太阳”都是词表中的一个词的话，模型是不知道“太阳能”是由“太阳”和“能”组成，也不知道“太阳”是“太”和“阳”，这样如果要做一些子词相关的任务就会比较艰难，比如最经典的问“‘太阳能’反过来怎么读？”，期望回答时“能阳太”，但由于模型不知道它是“太”、“阳”、“能”三个字组成，从而很难回答正确。

续写问题

近日 @Armen Aghajanyan 分享了另一个问题。他们在训练代码模型时使用了超大词表，结果就是常见的命令如 “import numpy as np” 都变成了一个 token，然后发现当用户输入 “import numpy” 时，模型无法续写出 “as np”。原因很简单，“import numpy as np” 被当作了一个 token，于是当 “import numpy” 单独出现时，模型会发现它后面永远不会接 “as np”（接 “as np” 的都被合并成单独的 “import numpy as np” 了），自然也无法完成续写。

这个现象确实很经典，其实不单是代码模型，常见的自然语言模型也会出现。比如当“太阳能”和“太阳”都成为了一个独立的 token 时，用户输入“太阳”后，接下来续写的字就基本不会是“能”了，这可能不符合用户的分布期望；又比如“白云”、“白云山”、“白云机场”都是一个独立的 token 时，用户输入“广州的白云”后，接下来也几乎不会续写出“广州的白云机场”、“广州的白云山”，等等。

参考对策

然而，笔者认为 Armen Aghajanyan 所提的现象，并不能构成增大词表的缺点，反而稍微处理一下之后，它还有可能成为增大词表的优点。其实这个问题很简单，以前没有 LLM 的时候，基于“词表+前缀搜索”我们也能做一定的补全任务，现在有了 LLM，难道我们就一定要囿于 LLM，不能将基于 LLM 的续写和基于词表的续写结合起来吗？

还是刚才的例子，假设用户输入了“广州的白云”，Tokenizer 将它分为“广州/的/白云”，现在如果将这三个词直接转为 id 输入到模型中，就会无法续写出“广州/的/白云机场”等结果。

这本质上是因为 Tokenizer 无法提前预估未来的文本，从而导致分词结果出错（当然，也可以考虑在训练阶段就使用带有随机性的 tokenize 算法，这种情况下“白云机场”可能作为一个词出现，也可能作为“白云/机场”出现，此时分词结果不至于严重影响后续效果，甚至能增强泛化能力，参考《Subword Regularization: Improving Neural Network Translation Models with Multiple Subword Candidates》）。

那么，我们是否可以预估一下未来的文本呢？假设分词为“广州/的/白云”后，我们回退一步，拿“白云”去词表做前缀搜索，不妨再假设搜索结果为“白云”、“白云机场”、“白云山”、“白云路”四个词，这步搜索是纯粹基于词表做的，相比 LLM 的计算量可以忽略不计。有了搜索结果后，我们用 LLM 计算：

由于输入都是相同的，所以计算这四个条件概率只需要运行一次 LLM。有了这四个条件概率后，我们将它们重新归一化然后进行采样。假如采样结果是“白云”，那么我们就按照“广州/的/白云”来做续写；如果采样到“白云机场”，那么就可以输出“机场”，并按照“广州/的/白云机场”来做续写；依此类推。

这就轻松解决了 Armen Aghajanyan 所提到的问题，并且将缺点转化为优点了（压缩率高时，即便回退了一步，但是前缀搜索出来的词可能很长，可以一次性生成更多的字）。特别地，回退操作只需要在采样第一步进行，它只是为了避免输入不完整导致的分词错误，从第二步开始就不需要回退操作了，因此新增的计算量是非常少的。

值得一提的是，微软有一个名为 “guidance” 的库，也提出了同样的技巧（参考这里）。此外，考虑更一般的场景，有时候回退一步也不够，比如 “import numpy as np” 的例子，单输入 “import numpy” 时，可能被分为 “import/ numpy” 了，这时候起码要回退两步才能完整合理的序列。但这没有本质的区别，只是细节上稍微复杂一些，这里就不展开了，读者部署推理模型的时候自行构造就好。