文 / Zhilin Yang 和 Quoc Le，Google AI 团队
为了正确理解一篇文章，读者有时需要返回前文，参考在几千字之前出现的一个词或句子。这是一个长程依赖性的示例。长程依赖现象在序列数据中非常常见，我们必须理解其含义，这样才能处理很多现实任务。虽然人们可以很自然地这样做，但使用神经网络对长期依赖关系进行建模仍然是一项挑战。门控循环神经网络 (RNN) 和梯度裁剪技术可以提升对长期依赖关系进行建模的能力，但还不足以完全解决这一问题。
要解决这一难题，其中一个方法是使用 Transformer。该工具允许在数据单元之间建立直接联系，从而有可能更好地捕捉长期依赖关系。然而，在语言建模中，Transformer 目前使用固定长度的上下文来实现，即将一个长文本序列截成多个包含数百个字符的长度固定的句段，然后单独处理每个句段。
在训练期间具有固定长度上下文的 Vanilla Transformer
这引入了两个关键限制：
- 算法无法对超过固定长度的依赖关系建模
- 句段通常不遵循句子边界，从而造成上下文碎片化，导致优化效率低下。在长程依赖性不成其为问题的短序列中，这种做法尤其令人烦扰
为了解决这些限制，我们推出了 Transformer-XL，这是一个非常新颖的架构，可以实现超出固定长度上下文的自然语言理解。Transformer-XL 采用了两项技术：句段层级的循环机制和相对位置编码方案。
句段层级的循环
在训练期间，系统为前一个句段计算的表征会被修正并缓存，当模型处理下一个新句段时，即可将其作为扩展上下文重新使用。上下文信息现在可以跨句段边界流动，因此，这一额外联系将可能的最大依赖关系长度扩大了 N 倍，其中 N 是网络深度。此外，这一递归机制还可以解决上下文碎片化问题，从而为新句段前面的令牌提供必要的上下文。
在训练期间采用句段层级循环的 Transformer-XL
相对位置编码
然而，只应用句段层级的循环是行不通的，因为当我们再次使用前面的句段时，位置编码并不一致。例如，假设旧句段的上下文位置是 [0, 1, 2, 3]。当模型处理一个新句段时，这两个句段合并后的位置是 [0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3]，但每个位置编号的语义在整个序列中并不连贯。为此，我们提出了一个新的相对位置编码方案，以使递归机制的应用成为可能。此外，与其他相对位置编码方案不同，我们的方案使用了具备可习得转换的固定嵌入，而非可习得嵌入，因此该方案在测试时可以更广泛地适用于较长的序列。当我们将这两种方法结合使用时，Transformer-XL 在评估期间拥有的有效上下文会比 Vanilla Transformer 模型长得多。
在评估期间具有固定长度上下文的 Vanilla Transformer
在评估期间采用句段层级循环的 Transformer-XL
另外，Transformer-XL 可以在不进行重新计算的情况下同时处理新句段中的所有元素，进而显著提升速度（在下文讨论）。
成果
Transformer-XL 在各种主要的语言建模 (LM) 基准测试中均获得新的最优 (SoTA) 结果，包括长短序列上的字符层级和单词层级任务。实验证明，Transformer-XL 有三大优势：
- Transformer-XL 学习的依赖关系大约比 RNN 长 80%，比 Vanilla Transformer 长 450%，虽然后者的性能比 RNN 更好，但由于上下文的长度固定，因而其并非对长程依赖关系建模的最佳选择（详情请参阅 论文）
- 由于不需要重新计算，Transformer-XL 在评估语言建模任务期间的速度要比 Vanilla Transformer 快 1800 多倍
- 由于对长期依赖关系进行建模，Transformer-XL 在处理长序列时的困惑度方面表现更优（即能够更加准确地预测样本）。另外，由于解决了上下文碎片化问题，其在处理短序列时也有更出色的性能表现
Transformer-XL 在 enwiki8 中将最优 bpc/困惑度从 1.06 提升到了 0.99；在 text8 中从 1.13 提升到了 1.08；在 WikiText-103 中从 20.5 提升到了 18.3；在 One Billion Word 中从 23.7 提升到了 21.8；在 Penn Treebank 中从 55.3 提升到了 54.5（未进行微调）。我们是首个在字符层级 LM 基准测试中突破 1.0 障碍的团队。
我们畅想了 Transformer-XL 的很多令人振奋的潜在应用，包括但不限于改进 BERT 等语言模型预训练方法，生成逼真的长篇文章，以及在图像和语音领域的应用，这也是长期依赖关系方面的重要领域。如需了解更多详情，请参阅我们的 论文。
您也可以在 GitHub 上的 Tensorflow 和 PyTorch 中查看我们在论文中使用的代码、预训练模型和超参数。
原文：Transformer-XL: Unleashing the Potential of Attention Models
中文：TensorFlow 公众号