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| 本文作者： 我在思考中 | 2021-08-11 09:53 |
作者 | 青暮
以學術界為主力軍的中國AI研究力量正在悄然變化，工業界的作用愈發凸顯，與學術界一起形成雙輪驅動之勢。
倫敦帝國理工學院 Marek Rei 教授對ML&NLP相關會議論文的統計顯示，自2012年至2020年期間，美國以近4000篇論文的數量遙遙領先，中國、英國、德國和加拿大分別名列第二至五位。
美國科技公司在各大人工智能頂會上格外強勢，微軟和谷歌排名前二，IBM和Facebook也名列前十；與此形成鮮明反差的是，中國AI研究界則由學術機構當家，僅清華和北大躋身前十，分別排名第八和第九位。
但是在AI技術應用火熱的推動下，中國科技企業也逐漸從“輔助角色”進化為中堅力量。在剛剛結束的NLP頂會ACL 2021上，中國的論文投稿數量已經大幅超越美國，共有 1239 篇論文投稿來自中國大陸，其中 251 篇被接收，接收率 20.3%，工業界在其中出力甚多。
更值得欣喜的是，字節跳動AI Lab的詞表學習方案VOLT贏得“最佳論文”獎項。這是ACL舉辦59年以來，中國團隊第二次獲得會議最高榮譽，上一次是由中科院計算所研究員馮洋獲得ACL 2019年最佳長論文獎。此外，香港中文大學與騰訊AI Lab的合作論文成功入選“杰出論文”。
本次我們邀請到了字節跳動AI Lab獲獎論文作者，向讀者介紹他們在ACL 2021上的工作。
NLP的華人力量
字節跳動獲獎論文“Vocabulary Learning via Optimal Transport for Machine Translation”提出了VOLT方法，能以非常低的代價學習詞表，在機器翻譯上取得了更好的性能。而詞表幾乎可以用于所有NLP任務，團隊也在積極推動VOLT在其他NLP任務上的應用。
另外這項工作是從經濟學和數學中獲取靈感，從而給出了一個可行的詞表學習方案。該論文第一作者許晶晶說：“我們給出了基于最大邊際效應的一種可能的解釋，和把詞表學習建模成一個最優運輸問題的全新想法。”
論文地址：https://arxiv.org/abs/2012.15671
項目地址：https://github.com/Jingjing-NLP/VOLT
許晶晶于2015年進入北京大學電子工程與計算機科學學院，攻讀博士學位，在計算語言學教育部重點實驗室跟隨孫栩教授做研究。
2021年2月，也就是五年后，AAAI首次評選“學術新星”（New Faculty Highlight），許晶晶成功入選，是入選者中唯一的中國機構學者。
回首五年前，許晶晶認為自己非常幸運，剛進入AI領域的時候，恰好就是自然語言處理從傳統的淺層模型走向深度模型的過渡點?！皩τ贜LP領域而言，深度學習在當時還是一種比較新的方法，入學的時候比較幸運趕上了深度學習在自然語言處理應用的浪潮”。
今年中國團隊再次獲得ACL最高榮譽，但光芒的背后，是一步一步的扎實積累。“最近幾年華人在NLP領域的進步是非常大的。在15年的時候，對于一家中國研究機構來說，可能一年中一篇ACL，就是非常了不起的事情。隨著時代的進步，華人的名字開始越來越多地出現在會議上，這是一個可喜的進步。相信在不久的將來，華人也可以做出很多可以引領整個時代潮流的工作?！痹S晶晶說道。
來自經濟學和數學的啟發
許晶晶對自然語言處理（NLP）的基礎研究比較感興趣，而詞表又是自然語言處理的基礎組件。
團隊成員們非常尊重和支持她的個人研究興趣，當她最開始提出想要研究詞表的時候，很快就獲得了團隊成員們的支持。
詞表，也就是把句子拆分表示的參考表，有多種形式，比如詞級別、字符級別、子詞級別等等，如下圖所示。
在機器翻譯架構中，這些句子在輸入后會依據詞表拆分成token（比如”Oregon“被拆分成“O”、“re”、“gon”三個token），然后將每個token分別表示為向量，再進行神經網絡的編碼、解碼，然后先輸出token級別的表示，再依據詞表組合成完整的翻譯句子輸出。
在三種級別的詞表中，詞級別簡單按照詞匯水平對句子進行分割，對應的詞表就是語料中所有的單詞；字符級別把所有單詞都拆分成字母。子詞級別介于兩者之間，比如在上圖這句話中，”Oregon“被拆分成“O”、“re”、“gon”三個token，“enlisting”被拆分成“en”、“listing”。
目前為止，子詞級別的詞表使用比較多，并且已經在多個任務上驗證了效果。因此，在目前的認知條件下，可以暫時認定子詞為較好的選擇。
在這項研究中，實驗室團隊就是希望找到最好的子詞詞表，以提高機器翻譯的性能和效率。
如何理解子詞表示的好處呢？比如在“enlisting”和“enlighten”這兩個單詞中，我們可以把它們拆分成“en”、“listing”，以及“en“、”lighten”，然后我們在向量空間中需要構建“en”、“listing”、“lighten”這三個詞向量。在足夠多的詞匯量下，子詞級別需要的詞表比詞級別的要小。
從一般的意義上講，子詞表示是一種信息壓縮（相對于字符表示）。就好像為了理解大量的蛋白質數據，我們用氨基酸作為基本單元來進行分類，而不是直接用原子作為基本單元。但也因此，子詞級別的詞表相比字符級別會更大。
那么詞表是不是越大越好呢？實際上在BPE算法中隨著詞表增大，新增的子詞匹配的多是稀疏單詞，也就是信息熵降低，這樣反倒不利于模型學習。
具體而言，對于每一種語言來說，常用的單詞都是少數的。或者準確點說，每一種語言的單詞使用頻率是呈現長尾分布的。
這意味著，整個機器翻譯系統中，對這些低頻詞匯進行子詞分解，在后續的編解碼中，并不會對信息熵的變化帶來太大收益。
因此除了信息熵，詞表大小也是衡量詞表的重要因素。
團隊由此聯想到了經濟學中的經典現象——邊際收益。
通俗來說，邊際收益就是指“剛開始的幾口蛋糕真香”以及“最后一口蛋糕好膩”。我們可以把“吃一口蛋糕”定義為投入，“真香感受”定義為產出，邊際收益就是投入產出比?！皠傞_始的幾口蛋糕真香”的投入產出比高，“最后一口蛋糕好膩”的投入產出比低。
在子詞詞表構建中，隨著詞表大小的增加，一般來說，token的信息熵收益會在某個時刻之后達到巔峰并且下降。
而這個性價比臨界點，正是團隊要尋找的目標。
因此，團隊為了建模這種平衡，引入了邊際收益的概念。團隊將信息熵看成是邊際收益中的利益，詞表大小看成是邊際收益中的代價。隨著詞表的增加，不同大小的詞表的信息熵收益是不同的。
團隊使用邊際收益的概念定義了衡量詞表質量的指標MUV，并且觀測到了MUV指標和下游任務的相關性。
MUV可以理解成為信息熵對詞表大小的負一階導數，也即是我們在逐個增加token來構建詞表的時候，每增加一定量的token導致的信息熵增益。我們的目標，就是要在巨大的詞表空間中尋找MUV的最高值。
這樣就可以把詞表學習轉化為搜索具有最大MUV分數的詞表問題。為了解決該問題，作者提出了一種基于最優運輸的方案。
為了便于大家更方便地理解最優運輸，這里對最優運輸先做一個簡單的回顧。
大約250年前，法國數學家蒙日在其作品中對這類問題進行了嚴格分析，下面是一個比較直觀的例子。
假設在戰爭中，我方有一些前線（藍色星星）發出了需要增兵的信號，而我們的士兵分散在不同的后方根據地（紅色旗幟）。不同的前線需要的士兵個數不同，后方根據地的士兵個數也不同，前線距離后方根據地的距離也不同。問如何設計轉移方案，使得總轉移代價最低？這就是最優運輸想要回答的問題。
那么，如果要用最優傳輸來解決詞表學習問題，首先要將問題進行重建。作者們將句子拆分成字符后的表示看成是后方士兵，將候選詞表看成是前線。為了避免不合法的搬運，作者們將不合法的搬運設為無窮大（比如字e搬運給詞cat是不合法的）。每種搬運方式對應一種詞表，那么我們只需要把搬運代價定義成MUV相關分數，就可以實現搜索的目的。
那么如何將詞表學習的問題轉化成為最優運輸的代價呢？作者對問題進行了簡化。簡化過程分為兩步，一個是對搜索空間進行壓縮，一個是對目標進行近似。對技術細節感興趣的讀者，可以看看VOLT方法的偽代碼：
以下是VOLT生成的詞表在雙語翻譯的結果，可以看出新方法學到的詞表比經常使用的詞表大小小很多，效果也很有競爭力。
以下是在多語翻譯的結果，總體來看，在三分之二的數據集上效果也是較好的。
VOLT不需要結合任務的下游任務訓練，因此非常簡單高效。但許晶晶轉而說道，“這其實是一把雙刃劍，如果可以結合下游任務的話，有機會針對特定情況或許可以獲得更好的性能和效率?！?/span>
不止是VOLT
相比于對模型的關注，詞表在NLP社區中相關的研究可能少一些，而詞表又是非常重要的一環。如何去理解詞表其實是一個很有意思的問題。
對于這項工作的泛化性，許晶晶也有所期待，“或許未來能在其他NLP任務上看到VOLT的身影?！?/span>
同時，這項技術也被團隊用到了競賽中。在今年的WMT2021中，字節跳動AI Lab在WMT機器翻譯比賽中取得了好成績。這次比賽中，除了VOLT，團隊們還使用了非自回歸的方法GLAT。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2008.07905
在WMT2021國際機器翻譯大賽上，字節跳動火山翻譯團隊以“并行翻譯”系統參賽，獲得德語到英語方向機器翻譯比賽自動評估第一名。“并行翻譯”在國際大賽首次亮相，就成功擊敗了從左向右逐詞翻譯的“自回歸模型”技術，打破后者在機器翻譯領域的絕對統治地位。
許晶晶的團隊同事周浩說道，“這充分說明并行（非自回歸）生成模型未必比自回歸模型差”。
WMT2021是由國際計算語言學協會ACL舉辦的世界頂級機器翻譯比賽，德英語向是該賽事競爭最激烈的大語種項目之一。
GLAT被還上線到了字節跳動的火山翻譯中，為公司產品和火山引擎的企業級客戶提供翻譯服務，” 在訓練數據量小的場景下，‘并行翻譯’的質量相比傳統技術處于劣勢。但是當訓練數據規模變大后，‘并行翻譯’會逐漸縮小差距，甚至反超傳統技術?！爸芎蒲a充道。
火山翻譯是字節跳動旗下火山引擎的AI中臺能力之一，提供全球先進的翻譯技術與服務，打造各大場景智能翻譯解決方案。
火山翻譯打通了多個翻譯場景，包括文本、語音、圖片、音頻、視頻，以及虛擬世界和現實世界。其中，虛擬世界即AR，現實世界即同傳。此外還支持多語種，包括56門語言、3080個語向的翻譯。
在2021年上半年，火山翻譯研發了視頻翻譯和AR智能翻譯眼鏡，火山同傳也支持了多場大會與直播，很好促進了多語言內容互通。
視頻翻譯：
在這些產品背后，字節跳動AI Lab重點研發了多語言翻譯和語音翻譯，有如下幾個亮點。
比如開源了 lightseq2.0，這是業界最快的推理和訓練引擎，可以把機器翻譯的訓練速度提升 3 倍，把推理速度提升 10 倍。
以及研發了大規模多語言預訓練 mRASP2 ，可以支持 150 個語種之間的互譯，通過大規模預訓練翻譯效果非常好。
還有研發了端到端語音翻譯，并且開源了 NeurST，引起了業內較大的關注。
“既重視基礎研究，又能高效轉化技術。”這也是許晶晶當初選擇字節跳動AI Lab的原因，“組里的同事們都很年輕，有活力、有想法，同時氛圍又很自由，大家都會積極地去推動整個工作組的研究，并在自己的領域中發光發熱?！?/span>
許晶晶的主要研究方向是綠色深度學習，VOLT的能力正好定位于這個價值觀。
VOLT：綠色環保的詞表學習方案
以主流詞表BPE為例。為了搜索最優詞表，業內普遍會通過大量自然語言處理下游任務的訓練以尋找最優大小。相比之下，使用VOLT方案可以節省92%的算力，這同時意味著所需電能的大量減少。
巧合的是，伏特（volt）是電學的一個基本單位?？梢哉f，VOLT是一項非常環保的綠色解決方案。
機器翻譯是NLP應用的主要部分，而NLP的市場價值仍然無可限量。John Snow實驗室與Gradient Flow合作在2020年發布了一份全球調查報告。這項全球調查詢問了來自50多個國家的近600名受訪者，全面了解了2020年NLP的采用和實施狀況。
盡管今年IT支出不景氣，但有趣的是，NLP預算全面增加，報告的NLP技術預算比去年增加了10-30%?？紤]到該調查是在全球COVID-19大流行的高峰期進行的，而當時全球的IT支出都在下降，這一點尤其重要。
寫在最后
”獲得最佳論文對于我來說是很高的起點。但人終究是要不斷追求進步的，對于下一步該往何處走，做出更好的研究貢獻，也會感受到壓力?！?/span>
展望未來，許晶晶抱有很大的期待，“事物是動態發展的，方向會不斷調整，但我相信都會往好的方向發展。對于我個人，也期望在這個自由的環境中，繼續做出對公司、對社區、對社會有幫助的事情。字節跳動AI Lab還很年輕，歡迎大家過來開拓自己的事業。”
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