【NLP之transformer | Datawhale-9月】Task04：学习GPT_regression transformer 一种同时实现了回归和生成的分子语言模型

1 什么是语言模型

1.1 自编码（auto-encoder）语言模型

自编码语言模型的优缺点：

• 优点：自然地融入双向语言模型，同时看到被预测单词的上文和下文
• 缺点：训练和预测不一致。训练的时候输入引入了[Mask]标记，但是在预测阶段往往没有这个[Mask]标记，导致预训练阶段和Fine-tuning阶段不一致。

自回归（auto-regressive）语言模型：语言模型根据输入句子的一部分文本来预测下一个词。日常生活中最常见的语言模型就是输入法提示，它可以根据你输入的内容，提示下一个单词。

1.2 自回归（auto-regressive）语言模型

自回归语言模型的优点和缺点：

• 优点：对于生成类的NLP任务，比如文本摘要，机器翻译等，从左向右的生成内容，天然和自回归语言模型契合。
• 缺点：由于一般是从左到右（当然也可能从右到左），所以只能利用上文或者下文的信息，不能同时利用上文和下文的信息。

2 基于Transformer的语言模型

Transformer：Encoder+Decoder。它们都是由多层transformer堆叠而成。

Transformer的seq2seq适用于机器翻译。即将一个文本序列翻译为另一种文本的文本序列。

3 Transformer的语言模型

在解决语言模型任务中，并不需要完整的Encoder部分和Decoder。于是在原始Transformer之后的许多研究工作中，人们尝试只使用Transformer Encoder或者Decoder，并且将它们堆得层数尽可能高。

比如BERT只使用了Encoder部分进行masked language model（自编码）训练，GPT-2便是只使用了Decoder部分进行自回归（auto regressive）语言模型训练。

4 Transformer进化

Transformer的Encoder进化成了BERT，Decoder进化成了GPT2。

Encoder：部分接受特定长度的输入，如果输入序列比这个限制短，可以使用pad填充序列的其余部分。

Decoder：多了一个Encoder-Decoder self-attention层，使Decoder可以attention到Encoder编码的特定信息。使Decoder可以attention到Encoder编码的特定的信息。其中的Masked Self-Attention会屏蔽未来的token。他并非直接将输入单词随意改为mask，而是通过改变Self-Attention的计算，来屏蔽未来的单词信息。

GPT2基于Decoder构建。

GPT2与BERT重要区别：BERT基于Encoder构建，故使用Self Attention层。GPT2基于Decoder构建，使用masked Self Attention。一个正常的 Self Attention允许一个位置关注到它两边的信息，而masked Self Attention只让模型看到左边的信息。

5 GPT2概述

GPT-2由多层Decoder组成，能够处理1024 个token。每个token沿着自己的路径经过所有的Decoder层。

试用一个训练好的GPT-2模型的最简单方法是让它自己生成文本，即生成无条件文本。

由于模型只有一个输入，因此只有一条活跃路径。<s> token在所有Decoder层中依次被处理，然后沿着该路径生成一个向量。根据这个向量和模型的词汇表给所有可能的词计算出一个分数。在下图的例子中，我们选择了概率最高的 the。下一步，我们把第一步的输出添加到我们的输入序列，然后让模型做下一个预测。

请注意，第二条路径是此计算中唯一活动的路径。GPT-2 的每一层都保留了它对第一个 token所编码的信息，而且会在处理第二个 token 时直接使用它：GPT-2 不会根据第2个 token 重新计算第一个 token。

6 GPT2详解

6.1 输入编码

输入：在嵌入矩阵中查找输入的单词对应的embedding向量。

每一行都是词的 embedding：这是一个数值向量，可以表示一个词并捕获一些含义。最小的模型使用的embedding大小是768。

在开始时，我们会在嵌入矩阵查找第一个 token <s> 的 embedding。在把这个 embedding 传给模型的第一个模块之前，我们还需要融入位置编码，这个位置编码能够指示单词在序列中的顺序。

输入的处理：得到词向量+位置编码

6.2 多层Decoder

第一层Decoder现在可以处理 <s> token所对应的向量了：首先通过 Self Attention 层，然后通过全连接神经网络。一旦Transformer 的第1个Decoder处理了<s> token，依旧可以得到一个向量，这个结果向量发送到下一层Decoder。

6.3 Decoder中的Self-Attention

Decoder中包含了Masked Self-Attention。

self-attention：语言严重依赖于上下文。

self-attention所做的事情是：它通过对句子片段中每个词的相关性打分，并将这些词的表示向量根据相关性加权求和，从而让模型能够将词和其他相关词向量的信息融合起来。

self-attention所做的事情是：它通过对句子片段中每个词的相关性打分，并将这些词的表示向量根据相关性加权求和，从而让模型能够将词和其他相关词向量的信息融合起来。

6.4 Self-Attention 过程

Self-Attention 沿着句子中每个 token 进行处理，主要组成部分包括 3 个向量。

• Query：Query 向量是由当前词的向量表示获得，用于对其他所有单词（使用这些单词的 key 向量）进行评分。
• Key：Key 向量由句子中的所有单词的向量表示获得，可以看作一个标识向量。
• Value：Value 向量在self-attention中与Key向量其实是相同的。

Masked self attention：将mask位置对应的的attention score变成一个非常小的数字或者0，让其他单词再self attention的时候（加权求和的时候）不考虑这些单词。

6.5 模型输出

当模型顶部的Decoder层产生输出向量时，模型会将这个向量乘以一个巨大的嵌入矩阵，来计算该向量和所有单词embedding向量的相关得分。这个相乘的结果，被解释为模型词汇表中每个词的分数，经过softmax之后被转换成概率。

我们可以选择最高分数的 token（top_k=1），也可以同时考虑其他词（top k）。假设每个位置输出k个token，假设总共输出n个token，那么基于n个单词的联合概率选择的输出序列会更好。

这样，模型就完成了一次迭代，输出一个单词。模型会继续迭代，直到所有的单词都已经生成，或者直到输出了表示句子末尾的 token。

7 详解Self-Attention

7.1 可视化Self-Attention

it的attention：

假设一个一次只能处理4个token的Transformer。

• 为每个路径创建 Query、Key、Value 矩阵。
• 对于每个输入的 token，使用它的 Query 向量为所有其他的 Key 向量进行打分。
• 将 Value 向量乘以它们对应的分数后求和。
  
  (1) 创建 Query、Key 和 Value 向量：我们会使用它的Query向量，并比较所有的Key向量。这会为每个 Key 向量产生一个分数。Self Attention 的第一步是为每个 token 的路径计算 3 个向量。
  
  (2) 计算分数：我们关注的是第一个 token 的向量，我们将第一个 token 的 Query 向量和其他所有的 token 的 Key 向量相乘，得到 4 个 token 的分数。
  
  （3）计算和：我们现在可以将这些分数和 Value 向量相乘。在我们将它们相加后，一个具有高分数的 Value 向量会占据结果向量的很大一部分。
  
  分数越低，Value 向量就越透明。这是为了说明，乘以一个小的数值会稀释 Value 向量。

如果我们对每个路径都执行相同的操作，我们会得到一个向量，可以表示每个 token，其中包含每个 token 合适的上下文信息。这些向量会输入到 Transformer 模块的下一个子层（前馈神经网络）。

7.2 图解Masked Self-attention