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| 本文作者： 我在思考中 | 2021-08-11 09:53 |
作者 | 青暮
以学术界为主力军的中国AI研究力量正在悄然变化，工业界的作用愈发凸显，与学术界一起形成双轮驱动之势。
伦敦帝国理工学院 Marek Rei 教授对ML&NLP相关会议论文的统计显示，自2012年至2020年期间，美国以近4000篇论文的数量遥遥领先，中国、英国、德国和加拿大分别名列第二至五位。
美国科技公司在各大人工智能顶会上格外强势，微软和谷歌排名前二，IBM和Facebook也名列前十；与此形成鲜明反差的是，中国AI研究界则由学术机构当家，仅清华和北大跻身前十，分别排名第八和第九位。
但是在AI技术应用火热的推动下，中国科技企业也逐渐从“辅助角色”进化为中坚力量。在刚刚结束的NLP顶会ACL 2021上，中国的论文投稿数量已经大幅超越美国，共有 1239 篇论文投稿来自中国大陆，其中 251 篇被接收，接收率 20.3%，工业界在其中出力甚多。
更值得欣喜的是，字节跳动AI Lab的词表学习方案VOLT赢得“最佳论文”奖项。这是ACL举办59年以来，中国团队第二次获得会议最高荣誉，上一次是由中科院计算所研究员冯洋获得ACL 2019年最佳长论文奖。此外，香港中文大学与腾讯AI Lab的合作论文成功入选“杰出论文”。
本次我们邀请到了字节跳动AI Lab获奖论文作者，向读者介绍他们在ACL 2021上的工作。
NLP的华人力量
字节跳动获奖论文“Vocabulary Learning via Optimal Transport for Machine Translation”提出了VOLT方法，能以非常低的代价学习词表，在机器翻译上取得了更好的性能。而词表几乎可以用于所有NLP任务，团队也在积极推动VOLT在其他NLP任务上的应用。
另外这项工作是从经济学和数学中获取灵感，从而给出了一个可行的词表学习方案。该论文第一作者许晶晶说：“我们给出了基于最大边际效应的一种可能的解释，和把词表学习建模成一个最优运输问题的全新想法。”
论文地址：https://arxiv.org/abs/2012.15671
项目地址：https://github.com/Jingjing-NLP/VOLT
许晶晶于2015年进入北京大学电子工程与计算机科学学院，攻读博士学位，在计算语言学教育部重点实验室跟随孙栩教授做研究。
2021年2月，也就是五年后，AAAI首次评选“学术新星”（New Faculty Highlight），许晶晶成功入选，是入选者中唯一的中国机构学者。
回首五年前，许晶晶认为自己非常幸运，刚进入AI领域的时候，恰好就是自然语言处理从传统的浅层模型走向深度模型的过渡点。“对于NLP领域而言，深度学习在当时还是一种比较新的方法，入学的时候比较幸运赶上了深度学习在自然语言处理应用的浪潮”。
今年中国团队再次获得ACL最高荣誉，但光芒的背后，是一步一步的扎实积累。“最近几年华人在NLP领域的进步是非常大的。在15年的时候，对于一家中国研究机构来说，可能一年中一篇ACL，就是非常了不起的事情。随着时代的进步，华人的名字开始越来越多地出现在会议上，这是一个可喜的进步。相信在不久的将来，华人也可以做出很多可以引领整个时代潮流的工作。”许晶晶说道。
来自经济学和数学的启发
许晶晶对自然语言处理（NLP）的基础研究比较感兴趣，而词表又是自然语言处理的基础组件。
团队成员们非常尊重和支持她的个人研究兴趣，当她最开始提出想要研究词表的时候，很快就获得了团队成员们的支持。
词表，也就是把句子拆分表示的参考表，有多种形式，比如词级别、字符级别、子词级别等等，如下图所示。
在机器翻译架构中，这些句子在输入后会依据词表拆分成token（比如”Oregon“被拆分成“O”、“re”、“gon”三个token），然后将每个token分别表示为向量，再进行神经网络的编码、解码，然后先输出token级别的表示，再依据词表组合成完整的翻译句子输出。
在三种级别的词表中，词级别简单按照词汇水平对句子进行分割，对应的词表就是语料中所有的单词；字符级别把所有单词都拆分成字母。子词级别介于两者之间，比如在上图这句话中，”Oregon“被拆分成“O”、“re”、“gon”三个token，“enlisting”被拆分成“en”、“listing”。
目前为止，子词级别的词表使用比较多，并且已经在多个任务上验证了效果。因此，在目前的认知条件下，可以暂时认定子词为较好的选择。
在这项研究中，实验室团队就是希望找到最好的子词词表，以提高机器翻译的性能和效率。
如何理解子词表示的好处呢？比如在“enlisting”和“enlighten”这两个单词中，我们可以把它们拆分成“en”、“listing”，以及“en“、”lighten”，然后我们在向量空间中需要构建“en”、“listing”、“lighten”这三个词向量。在足够多的词汇量下，子词级别需要的词表比词级别的要小。
从一般的意义上讲，子词表示是一种信息压缩（相对于字符表示）。就好像为了理解大量的蛋白质数据，我们用氨基酸作为基本单元来进行分类，而不是直接用原子作为基本单元。但也因此，子词级别的词表相比字符级别会更大。
那么词表是不是越大越好呢？实际上在BPE算法中随着词表增大，新增的子词匹配的多是稀疏单词，也就是信息熵降低，这样反倒不利于模型学习。
具体而言，对于每一种语言来说，常用的单词都是少数的。或者准确点说，每一种语言的单词使用频率是呈现长尾分布的。
这意味着，整个机器翻译系统中，对这些低频词汇进行子词分解，在后续的编解码中，并不会对信息熵的变化带来太大收益。
因此除了信息熵，词表大小也是衡量词表的重要因素。
团队由此联想到了经济学中的经典现象——边际收益。
通俗来说，边际收益就是指“刚开始的几口蛋糕真香”以及“最后一口蛋糕好腻”。我们可以把“吃一口蛋糕”定义为投入，“真香感受”定义为产出，边际收益就是投入产出比。“刚开始的几口蛋糕真香”的投入产出比高，“最后一口蛋糕好腻”的投入产出比低。
在子词词表构建中，随着词表大小的增加，一般来说，token的信息熵收益会在某个时刻之后达到巅峰并且下降。
而这个性价比临界点，正是团队要寻找的目标。
因此，团队为了建模这种平衡，引入了边际收益的概念。团队将信息熵看成是边际收益中的利益，词表大小看成是边际收益中的代价。随着词表的增加，不同大小的词表的信息熵收益是不同的。
团队使用边际收益的概念定义了衡量词表质量的指标MUV，并且观测到了MUV指标和下游任务的相关性。
MUV可以理解成为信息熵对词表大小的负一阶导数，也即是我们在逐个增加token来构建词表的时候，每增加一定量的token导致的信息熵增益。我们的目标，就是要在巨大的词表空间中寻找MUV的最高值。
这样就可以把词表学习转化为搜索具有最大MUV分数的词表问题。为了解决该问题，作者提出了一种基于最优运输的方案。
为了便于大家更方便地理解最优运输，这里对最优运输先做一个简单的回顾。
大约250年前，法国数学家蒙日在其作品中对这类问题进行了严格分析，下面是一个比较直观的例子。
假设在战争中，我方有一些前线（蓝色星星）发出了需要增兵的信号，而我们的士兵分散在不同的后方根据地（红色旗帜）。不同的前线需要的士兵个数不同，后方根据地的士兵个数也不同，前线距离后方根据地的距离也不同。问如何设计转移方案，使得总转移代价最低？这就是最优运输想要回答的问题。
那么，如果要用最优传输来解决词表学习问题，首先要将问题进行重建。作者们将句子拆分成字符后的表示看成是后方士兵，将候选词表看成是前线。为了避免不合法的搬运，作者们将不合法的搬运设为无穷大（比如字e搬运给词cat是不合法的）。每种搬运方式对应一种词表，那么我们只需要把搬运代价定义成MUV相关分数，就可以实现搜索的目的。
那么如何将词表学习的问题转化成为最优运输的代价呢？作者对问题进行了简化。简化过程分为两步，一个是对搜索空间进行压缩，一个是对目标进行近似。对技术细节感兴趣的读者，可以看看VOLT方法的伪代码：
以下是VOLT生成的词表在双语翻译的结果，可以看出新方法学到的词表比经常使用的词表大小小很多，效果也很有竞争力。
以下是在多语翻译的结果，总体来看，在三分之二的数据集上效果也是较好的。
VOLT不需要结合任务的下游任务训练，因此非常简单高效。但许晶晶转而说道，“这其实是一把双刃剑，如果可以结合下游任务的话，有机会针对特定情况或许可以获得更好的性能和效率。”
不止是VOLT
相比于对模型的关注，词表在NLP社区中相关的研究可能少一些，而词表又是非常重要的一环。如何去理解词表其实是一个很有意思的问题。
对于这项工作的泛化性，许晶晶也有所期待，“或许未来能在其他NLP任务上看到VOLT的身影。”
同时，这项技术也被团队用到了竞赛中。在今年的WMT2021中，字节跳动AI Lab在WMT机器翻译比赛中取得了好成绩。这次比赛中，除了VOLT，团队们还使用了非自回归的方法GLAT。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2008.07905
在WMT2021国际机器翻译大赛上，字节跳动火山翻译团队以“并行翻译”系统参赛，获得德语到英语方向机器翻译比赛自动评估第一名。“并行翻译”在国际大赛首次亮相，就成功击败了从左向右逐词翻译的“自回归模型”技术，打破后者在机器翻译领域的绝对统治地位。
许晶晶的团队同事周浩说道，“这充分说明并行（非自回归）生成模型未必比自回归模型差”。
WMT2021是由国际计算语言学协会ACL举办的世界顶级机器翻译比赛，德英语向是该赛事竞争最激烈的大语种项目之一。
GLAT被还上线到了字节跳动的火山翻译中，为公司产品和火山引擎的企业级客户提供翻译服务，” 在训练数据量小的场景下，‘并行翻译’的质量相比传统技术处于劣势。但是当训练数据规模变大后，‘并行翻译’会逐渐缩小差距，甚至反超传统技术。“周浩补充道。
火山翻译是字节跳动旗下火山引擎的AI中台能力之一，提供全球先进的翻译技术与服务，打造各大场景智能翻译解决方案。
火山翻译打通了多个翻译场景，包括文本、语音、图片、音频、视频，以及虚拟世界和现实世界。其中，虚拟世界即AR，现实世界即同传。此外还支持多语种，包括56门语言、3080个语向的翻译。
在2021年上半年，火山翻译研发了视频翻译和AR智能翻译眼镜，火山同传也支持了多场大会与直播，很好促进了多语言内容互通。
视频翻译：
在这些产品背后，字节跳动AI Lab重点研发了多语言翻译和语音翻译，有如下几个亮点。
比如开源了 lightseq2.0，这是业界最快的推理和训练引擎，可以把机器翻译的训练速度提升 3 倍，把推理速度提升 10 倍。
以及研发了大规模多语言预训练 mRASP2 ，可以支持 150 个语种之间的互译，通过大规模预训练翻译效果非常好。
还有研发了端到端语音翻译，并且开源了 NeurST，引起了业内较大的关注。
“既重视基础研究，又能高效转化技术。”这也是许晶晶当初选择字节跳动AI Lab的原因，“组里的同事们都很年轻，有活力、有想法，同时氛围又很自由，大家都会积极地去推动整个工作组的研究，并在自己的领域中发光发热。”
许晶晶的主要研究方向是绿色深度学习，VOLT的能力正好定位于这个价值观。
VOLT：绿色环保的词表学习方案
以主流词表BPE为例。为了搜索最优词表，业内普遍会通过大量自然语言处理下游任务的训练以寻找最优大小。相比之下，使用VOLT方案可以节省92%的算力，这同时意味着所需电能的大量减少。
巧合的是，伏特（volt）是电学的一个基本单位。可以说，VOLT是一项非常环保的绿色解决方案。
机器翻译是NLP应用的主要部分，而NLP的市场价值仍然无可限量。John Snow实验室与Gradient Flow合作在2020年发布了一份全球调查报告。这项全球调查询问了来自50多个国家的近600名受访者，全面了解了2020年NLP的采用和实施状况。
尽管今年IT支出不景气，但有趣的是，NLP预算全面增加，报告的NLP技术预算比去年增加了10-30%。考虑到该调查是在全球COVID-19大流行的高峰期进行的，而当时全球的IT支出都在下降，这一点尤其重要。
写在最后
”获得最佳论文对于我来说是很高的起点。但人终究是要不断追求进步的，对于下一步该往何处走，做出更好的研究贡献，也会感受到压力。“
展望未来，许晶晶抱有很大的期待，“事物是动态发展的，方向会不断调整，但我相信都会往好的方向发展。对于我个人，也期望在这个自由的环境中，继续做出对公司、对社区、对社会有帮助的事情。字节跳动AI Lab还很年轻，欢迎大家过来开拓自己的事业。”
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