預訓練無需注意力，擴展到4096個token不成問題，與BERT相當

Transformer 作為 NLP 預訓練模型架構，能夠有效的在大型未標記的資料上進行學習，研究已經證明，Transformer 是自 BERT 以來 NLP 任務的核心架構。

最近的工作表明，狀態空間模型（SSM）是長範圍序列建模有利的競爭架構。 SSM 在語音生成和 Long Range Arena 基準上取得了 SOTA 成果，甚至優於 Transformer 架構。除了提高準確率之外，基於 SSM 的 routing 層也不會隨著序列長度的增長而呈現二次複雜性。

本文中，來自康乃爾大學、 DeepMind 等機構的研究者提出了雙向門控SSM （BiGS），用於無需注意力的預訓練，其主要是將SSM routing 與基於乘法門控（multiplicative gating）的架構結合。研究發現 SSM 本身在 NLP 的預訓練中表現不佳，但整合到乘法門控架構後，下游準確率便會提高。

實驗表明，在受控設定下對相同資料進​​行訓練，BiGS 能夠與 BERT 模型的效能相符。透過在更長的實例上進行額外預訓練，在將輸入序列擴展到 4096 時，模型還能保持線性時間。分析表明，乘法門控是必要的，它修復了 SSM 模型在變長文字輸入上的一些特定問題。

論文網址：https://arxiv.org/pdf/2212.10544.pdf

#方法介紹

SSM 透過以下微分方程式將連續輸入u (t) 與輸出y (t) 連結起來：

對於離散序列，SSM 參數被離散化，其過程可以近似為：

這個方程可以解釋為一個線性RNN，其中x_k 是一個隱藏狀態。 y 也可以用卷積計算：

#Gu 等人展示了一種在神經網路中使用SSM 的有效方法，他們開發了參數化A 的方法，稱為HiPPO，其產生了一個穩定而有效率的架構，稱為S4。這保留了 SSM 對長期序列建模的能力，同時比 RNN 訓練更有效。最近，研究人員提出了 S4 的簡化對角化版本，它透過對原始參數更簡單的近似實現了類似的結果。在高層次上，基於 SSM 的 routing 為神經網路中的序列建模提供了一種替代方法，而無需二次計算的注意力成本。

預訓練模型架構

#SSM 能取代預訓練中的注意力嗎？為了回答這個問題，研究考慮了兩種不同的架構，如圖 1 所示的堆疊架構（STACK）和乘法門控架構（GATED）。

具有自註意力的堆疊架構相當於 BERT /transformer 模型，門控架構是門控單元的雙向改編，最近也被用於單向 SSM。帶有乘法門控的 2 個序列區塊（即前向和後向 SSM）夾在前饋層中。為了進行公平比較，門控架構的大小保持與堆疊架構相當。

圖 1：模型變數。 STACK 是標準 transformer 架構，GATED 為基於閘控單元。對於 Routing 組件（虛線），研究同時考慮雙向 SSM（如圖所示）和標準自註意力。閘控（X）表示逐元素乘法。

實驗結果 

預訓練

#表 1 顯示了 GLUE 基準測試中不同預訓練模型的主要結果。 BiGS 在 token 擴展上複製了 BERT 的準確率。這一結果表明，在這樣的計算預算下，SSM 可以複製預訓練 transformer 模型的準確率。這些結果明顯優於其他基於非注意力的預訓練模型。想要達到這個準確率，乘法門控是必要的。在沒有門控的情況下，堆疊 SSM 的結果明顯更差。為了檢查這種優勢是否主要來自於門控的使用，本文使用 GATE 架構訓練了一個基於注意力的模型；然而，結果顯示模型的效果實際上低於 BERT。

表 1：GLUE 結果。 （Top）在控制設定下，不同架構和 routing 的比較。請參閱圖 2 以了解詳細資訊。 （Bottom) 報告了基於 CNN、LSTM 和 FNet 的其他非注意力預訓練模型的可比較結果。

Long-Form 任務

#表2 結果顯示，可以將SSM 與Longformer EncoderDecoder (LED) 和BART 進行比較，但是，結果顯示它在遠端任務中表現得也不錯，甚至更勝一籌。與其他兩種方法相比，SSM 的預訓練資料少得多。即使 SSM 不需要在這些長度上進行近似，長格式也依舊很重要。

表 2：SCROLLS Encoder 測試結果。基準模型都是編碼器 —— 解碼器模型，一個基於 Longformer (LED)，另一個基於 BART。輸入的長度有截斷。

更多內容請查看原始論文。

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