[논문 리뷰] XLNet : Generalized Autoregressive Pretrainingfor Language Understanding

이번 논문은 구글 AI팀에서 발표한 논문으로 2019년 6월 발표 당시 20개 자연어 처리 부분 최고 성능을 기록한 논문이다.

19년 1월 나온 TRANSFORMER-XL: ATTENTIVE LANGUAGE MODELS BEYOND A FIXED-LENGTH CONTEXT 후속버젼의 논문으로 저자들 또한 완벽히 일치한다.

본 논문은 당시 최고 성능을 자랑하던 BERT보다 20개의 nlp task에서 더 좋은 성능을 보였으며 그중 18개 task에서 SOTA를 달성하였으며 기존 language model들이 갖고 있던 Autoregressive 한 특성을 유지, 다양한 context의 방향에서 학습한 모델을 구현하였다.

1. Introduction

Pretraining method를 크게 2가지로 본다면 Autoregressive(AR) / AutoEncoding(AE) 로 볼 수 있다.

AR 모델

• 데이터를 순차적으로 처리하는 기법 (예 : ELMO, GPT) - 단방향(forward, backward) 학습
• 이전 단어 입력 후 다음 단어 출력
• text generation에서 좋은 성능

AR 모델에서 파란색 이후의 값을 찾는 과정

AE 모델

• 입력값을 복원 처리하는 기법 (예 : BERT) - 양방향 학습
• mask 단어를 예측하기 위해 앞뒤 문맥을 모두 학습 후 예측
  • (단점) - masking된 token들을 서로 independent라 가정해야 한다
  • (예) - New York is a city라는 문장에서 New와 York를 서로 독립시킨다면 New다음 York라는 단어가 나올 확률과 New가 나오지 않았을 경우 York가 나올 확률이 달라짐
• language understanding에서 좋은 성능

AR모델에서 masking된 token을 찾는 과정

 

 

2. Proposed Method

AR모델과 AE모델의 단점을 극복하고 장점을 살리기 위하여 새로운 방법 제시

 

Permutation Language Modeling

$ input sequence : x = (x_1 , x_2 ,... , x_T) $

$ likelihood : E_{Z \sim Z_{T}} [\Pi_{t=1}^T p(x_{z_t} | x_{z<t})] $

$ training \ objective : \underset{\theta}{max} $ $ E_{Z \sim Z_{T}}  $ $[ \sum_{t=1} ^T $ $ log\ p_{\theta} (x_{z_t} | x_{z<t} ) ]$

 

input sequence index(순서)의 모든 permutation을 고려한 AR 방식을 이용

ex) 

• input sequence [$x_1, x_2, x_3, x_4$]에 대해 index의 permutation의 집합 총 4! = 24 
• $ Z_T $ = [$x_1, x_2, x_3, x_4$], [$x_1, x_2, x_4, x_3$] ...
• $ Z_T $ 에 대해 AR Language Model objective 적용

$ Z_T $ 에 대해 AR Language Model objective 적용시킨 그림

위의 예처럼 토큰이 4개인 문장일 경우 왼쪽 위 그림처럼 3->2->4->1처럼 shuffle 된 sequence의 첫 번째 단어(3)를 맞춰야 하는 상황일 경우 3의 토큰 정보를 주지 않는다 (문제가 너무 쉬워지기 때문)

 

Permutation Language Modeling에서 기존 AR모델처럼 파란색 줄 이후의 token을 찾는 과정

실제 구현에서는 토큰들을 섞지 않고 attention mask로 구현한다.(XLNet의 구조는 transformer network 이기 때문)

 

 

 

Architecture: Two-Stream Self-Attention for Target-Aware Representations

예시로 들은 New York is a city라는 문장을 다시 한번 예시 설명하면

MLM(Masked Language Method)을 사용하면 'New'와 'York'을 모두 mask 하게 되었을 경우 서로 independent 하다는 가정이 깔리기 때문에 New가 있을 때 York이 나올 확률과 New가 없을 경우 York이 나올 확률이 서로 달라지게 된다는 문제점이 생긴다. 본 논문에서는 이의 문제점을 해결하기 위해 Permutation Language Model을 사용하였다.

하지만 Permutation Language Model을 사용하였을 경우의 문제점도 생기게 된다.

아래 그림처럼 다음에 예측할 token이 몇 번째 token인가에 대한 정보가 없다는 문제가 생긴다.

따라서 본 논문에서는 Two-Stream Self Attention이라는 기법을 사용하였다.

 

 

 

Two-Stream Self Attention

query stream attention과 content stream attention 두 가지를 혼합한 self-attention 기법

 

content stream attention(기존 self-attention과 유사하다)

• 예측하고자 하는 토큰의 실제 값 정보를 같이 사용하여 예측
• $h_{zt} ^{(m)} \leftarrow Attention(Q = h_{zt} ^{(m-1)} ,KV = h_{z \leq t} ^{(m-1)} ; \theta $
  • z : 원래 문장 순서를 random shuffle 한 index list
  • $z_t$ : z의 t번째 요소

content stream attention(표준 self-attention과 유사)

Figure 3: A detailed illustration of the content stream of the proposed objective with both the joint view and split views based on a length-4 sequence under the factorization order [3, 2, 4, 1]. Note that if we ignore the query representation, the computation in this figure is simply the standard self-attention, though with a particular attention mask.

query stream attention

• 토큰, position 정보를 활용한 self-attention 기법
• $g_{zt} ^{(m)} \leftarrow Attention(Q=g_{zt} ^{(m-1)} , KV = h_{z <t} ^{(m-1)} ; \theta $
• content stream attention과는 다르게 예측하고자 하는 target 토큰 이전 정보들의 값(position embedding, random initialization 된 값)을 가지고 예측

query stream attention

 

Overview of the permutation language modeling training with two-stream attention.

A detailed illustration of the query stream of the proposed objective with both the joint view and split views based on a length-4 sequence under the factorization order [3, 2, 4, 1]. The dash arrows indicate that the query stream cannot access the token (content) at the same position, but only the location information.

 

Incorporating Ideas from Transformer-XL

기존 Transformer 는 fixed size의 sequence(context) 길이를 넘을 경우 최대 sequence 이후의 token들을 학습에서 제외하는 단점을 갖고 있었으며 Transformer-XL에서는 Extra-Long size의 context 정보를 활용 가능하도록 segment recurrence 기법을 활용하였다. 

context를 작은 segment 단위로 자른 후 첫번째 segment를 기존 Transformer 처럼 학습, cache에 저장, 두번째 segment 학습(첫번째 segment 정보 활용 - memory라고 부름) 하는 방식을 반복하여 진행한다.

(현재 segment 계산시 메모리 학습X -> loss를 줄이기 위해 gradient에 memory 반영 X)

Illustration of the Transformer-XL model with a segment length 4

이 그림에 mem이 위 memory(직전 세그먼트)에 해당한다

 

3. Experiments

 

중국의 데이터셋 중,고등학교 수준의 문제 풀기

SQuAD에서의 평가

Error-rate 비교 XLNET의 오류율은 3.79 -> 96.21의 정확도를 자랑

GLUE 데이터셋에서의 평가

4. Conclusions

• 기존 Transformer-XL이 Language modeling에는 좋지만 downstream task에도 좋은가에 대한 의문점을 해결한 논문
• 기존 좋은 성능을 보여주던 masking 방식 없이 permutation 방식을 활용
• AR(auto-regressive language)모델의 형식을 갖고왔으며 auto-encoder(AE)의 bidirectional context 정보를 활용함으로써 AR과,AE의 모든 장점을 가져온 모델 소개

 

본 게시물은

https://www.youtube.com/watch?v=koj9BKiu1rU , https://ratsgo.github.io/natural%20language%20processing/2019/09/11/xlnet/

을 참고하여 게시하였습니다.