RoFormerV2：自然语言理解的极限探索

大概在1年前，我们提出了旋转位置编码（RoPE），并发布了对应的预训练模型RoFormer。随着时间的推移，RoFormer非常幸运地得到了越来越多的关注和认可，比如EleutherAI新发布的60亿和200亿参数的GPT模型中就用上了RoPE位置编码，Google新提出的FLASH模型论文中则明确指出了RoPE对Transformer效果有明显的提升作用。

与此同时，我们也一直在尝试继续加强RoFormer模型，试图让RoFormer的性能“更上一层楼”。经过近半年的努力，我们自认为取得了还不错的成果，因此将其作为“RoFormerV2”正式发布：

Github：https://github.com/ZhuiyiTechnology/roformer-v2

极限探索 #

在预训练模型兴起之后，不少研究人员都对一个问题相当感兴趣：预训练模型的极限在哪里？当然，“极限”这个词含义很丰富，以GPT3为代表的一系列工作试图探索的是参数量、数据量的极限，而微软近来提出的DeepNet则探究的是深度的极限。对于我们来说，我们更想知道同一参数量下的性能极限，试图最充分地“压榨”预训练模型的性能，RoFormerV2正是这一理念的产物。

简单来说，RoFormerV2先在RoFormer的基础上对模型结构做了适当的简化，从而获得了一定的速度提升。训练方面，除了进行常规的无监督MLM预训练外，我们还收集了20多G的标注数据，进行了有监督的多任务预训练。在有监督式训练之下，模型效果获得了长足的提升，基本上实现了同一参数量下速度和效果的最优解。

特别地，3亿参数量的RoFormer large，在CLUE榜单上超过了若干10亿+参数量的模型，做到了第5名，它也是榜上前5名中参数量最少的模型：

模型介绍 #

相比RoFormer，RoFormerV2的主要改动是简化模型结构、增加训练数据以及加入有监督训练，这些改动能让RoFormerV2最终取得了速度和效果的“双赢”。

结构的简化 #

在结构上，RoFormerV2主要去掉了模型的所有Bias项，以及Layer Norm换成了简单的RMS Norm，并且去掉了RMS Norm的gamma参数。这些改动的灵感主要来自Google的T5模型。

大家的潜意识里可能会觉得Bias项以及Layer Norm的beta和gamma参数计算量都很小，至少对速度来说是无关痛痒的。但事实出乎我们的意料：去掉这些看似“无关痛痒”的参数外，RoFormerV2的训练速度获得了明显的提升！

一些参考数据如下（RoFormer和RoBERTa速度接近，就不列出来了，base版的测试显卡为3090，large版的测试显卡为A100）：
\begin{array}{c|cc|cc}
\hline
& \text{序列长度} & \text{训练速度} & \text{序列长度} & \text{训练速度} \\
\hline
\text{RoBERTa base} & 128 & 1.0\text{x} & 512 & 1.0\text{x} \\
\text{RoFormerV2 base} & 128 & 1.3\text{x} & 512 & 1.2\text{x}\\
\hline
\text{RoBERTa large} & 128 & 1.0\text{x} & 512 & 1.0\text{x} \\
\text{RoFormerV2 large} & 128 & 1.3\text{x} & 512 & 1.2\text{x} \\
\hline
\end{array}

无监督训练 #

同RoFormer一样，RoFormerV2也是先通过MLM任务进行无监督预训练，不同的地方主要有两点：

1、RoFormer是在RoBERTa权重基础上进行训练，RoFormerV2是从零训练；

2、RoFormer的无监督训练只有30多G数据，RoFormerV2则用到了280G数据。

从零训练相比于在已有权重基础上继续训练会更加困难，主要体现在Post Norm结构更难收敛。为此，我们提出了一种新的训练技术：将残差设计为
\begin{equation}\boldsymbol{x}_{t+1} = \text{Norm}(\boldsymbol{x}_t + \alpha F(\boldsymbol{x}_t)) \end{equation}
其中$\alpha$初始化为0并线性地缓慢增加到1，相关讨论还可以参考《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》。该方案跟ReZero相似，不同的是ReZero中$\alpha$是可训练参数且去掉$\text{Norm}$操作，而实验显示我们的改动相比ReZero的最终效果更好，几乎是DeepNet之前的最优解。

多任务训练 #

前面提到RoFormerV2的结构有所简化以获得速度的提升，但由于“没有免费的午餐”，同样的训练设置之下RoFormerV2相比RoBERTa、RoFormer的效果会有轻微下降。为了弥补回这部分下降的效果，更有效地挖掘模型潜力，我们补充了有监督式的多任务预训练。

具体来说，我们收集了77个共计20G的标注数据集，构建了92个任务进行多任务训练，这些数据集涵盖文本分类、文本匹配、阅读理解、信息抽取、指代消解等常见自然语言理解任务，以求模型能获得比较全面的自然语言理解能力。为了完成训练，我们在bert4keras基础上进一步开发了一个多任务训练框架，灵活支持不同格式的任务进行混合训练，并整合了梯度归一化等技术（参考《多任务学习漫谈（二）：行梯度之事》）来确保每个任务都达到尽可能优的效果。

RoFormerV2并不是第一个尝试多任务预训练的模型，在它之前有MT-DNN、T5以及前段时间的ZeroPrompt都已经肯定过多任务预训练的价值，而我们主要是在中文上进行了充分的验证并首先进行了开源。

实验结果 #

我们主要在CLUE榜单上对比效果：
$$\tiny{\begin{array}{c|ccccccccccc}
\hline
& \text{iflytek} & \text{tnews} & \text{afqmc} & \text{cmnli} & \text{ocnli} & \text{wsc} & \text{csl} & \text{cmrc2018} & \text{c3} & \text{chid} & \text{cluener}\\
\hline
\text{BERT base} & 61.19 & 56.29 & 73.37 & 79.37 & 71.73 & 73.85 & 84.03 & 72.10 & 61.33 & 85.13 & 78.68\\
\hline
\text{RoBERTa base} & 61.12 & 58.35 & 73.61 & 80.81 & 74.27 & 82.28 & \textbf{85.33} & 75.40 & 67.11 & 86.04 & 79.38\\
\text{RoBERTa large} & 60.58 & 55.51 & 75.14 & \textbf{82.16} & 75.47 & 81.97 & 85.07 & 78.85 & 76.74 & \textbf{88.65} & \textbf{80.19}\\
\hline
\text{RoFormer base} & 61.08 & 56.74 & 73.82 & 80.97 & 73.10 & 80.57 & 84.93 & 73.50 & 66.29 & 86.30 & 79.69\\
\hline
\text{RoFormerV2 small} & 60.46 & 51.46 & 72.39 & 76.93 & 67.70 & 69.11 & 83.00 & 71.80 & 64.49 & 77.35 & 78.20\\
\text{RoFormerV2 base} & 62.50 & \textbf{58.74} & 75.63 & 80.62 & 74.23 & 82.71 & 84.17 & 77.00 & 75.57 & 85.95 & 79.87\\
\text{RoFormerV2 large} & \textbf{62.65} & 58.06 & \textbf{76.95} & 81.20 & \textbf{75.83} & \textbf{88.03} & 84.97 & \textbf{80.50} & \textbf{78.34} & 87.68 & \textbf{80.17}\\
\hline
\end{array}}$$

可以看到，多任务训练的提升是相当可观的，在大多数任务上RoFormerV2不仅“追回”了结构简化带来的效果差距，还有一定的提升，平均来说算得上达到了同级模型的最优效果。另外，CMNLI和CHID两个任务上，RoFormerV2都不如RoBERTa，这是因为这两个任务都训练数据都非常多（数十万级别），当训练数据量足够大时，模型的效果主要取决于模型的容量，多任务训练带来的提升比较小。

所以，总的来说就是：如果你的任务类型比较常规，数据量不是特别大，那么RoFormerV2往往是一个不错的选择；如果你希望加快一点训练速度，那么也可以选择RoFormerV2；但如果你的任务数据量特别大，那么RoFormerV2通常不会有优势。

本文小结 #

本文主要对我们新发布的RoFormerV2模型做了基本的介绍，它主要通过结构的简化来提升速度，并通过无监督预训练和有监督预训练的结合来提升效果，从而达到了速度与效果的“双赢”。

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