突破長篇上下文理解挑戰，Google發布全新自然語言理解架構Transformer-XL

Google近日針對超越固定長度的上下文資料，發布全新的NLU架構Transformer-XL，並將Transformer-XL於GitHub上開源釋出，包含研究論文中用到的預先訓練的模型、超參數和程式碼。現今的自然語言理解模型有一定的限制，由於上下文之間的依賴性，導致既有的自然語言理解模型，在面對篇幅較長的上下文理解時，效果有限。

在自然語言理解研究中，通常必須使用前面的片段資訊來了解當前的訊息，稱之為長期依賴性（long-range dependence），簡單來說，就是為了正確地理解一篇文章，有時候需要參考數千個字之前的一個單詞或是一個句子，大多數的研究人員用神經網路處理這項問題時，會用門控循環網路（Gating-based RNNs）和梯度裁剪（gradient clipping ）技術，來改善長期依賴模型，但是還是不足以完全解決這項問題。

目前最好的方法是透過Google於2017年推出的NLU神經網路架構Transformers，Transformers允許數據元（data unit）之間直接連接的特性，能夠有效地擷取長期依賴性，但是在語言建模中，Transformers目前實現的方法適用於固定長度的文章，舉例來說，一個長篇文章會被切成由幾百個字符組成的固定長度的片段，每個片段再分開處理，而這樣的方法有2大限制，一是該演算法無法為超過固定長度的文字篇幅建立依賴模型，二是裁切片段的程式無法識別句子的邊界，導致上下文破碎化而難以優化，這個問題就算對長期依賴性不強的較短序列而言，也是非常麻煩。

為了解決上述的限制，Google針對超越固定長度的上下文資料，發布了全新的NLU架構Transformer-XL，該架構包含2項技術： 片段式遞迴機制（segment-level recurrence mechanism）和相對位置編碼設計（relative positional encoding scheme）。

片段式遞迴機制是在訓練的過程中，將前一個片段的計算結果修復並保存，以利在下一個新的片段執行時重新利用，由於上下文資訊可以在片段的邊界中流動，神經網路深度有幾層，這項額外的連接機制就能為依賴關係的長度提升幾倍，除此之外，遞迴的機制也解決了上下文破碎化的問題，提供新的片段上下文必要的標註。

而當系統要重複使用上一個片段的結果時，必須將上一個片段的編碼位置，整合至新的片段位置編碼中，這樣的操作會導致位置編碼不連貫，為了實現片段式遞迴機制，因此需要搭配相對位置編碼的設計，與其他相對位置編碼設計不同的是，Google是用可學習的轉換固定向量，如此一來，該相對位置編碼設計能夠更廣泛地適用於較長的序列中。

Google研究團隊實驗發現，Transformer-XL比vanilla Transformer模型更能有效地理解更長的上下文，且不需要重新計算就能處理新片段的資料，因此大幅提升自然語言理解的效能，Google認為，該研究成果可以改善語言模型預先訓練的方法、創造逼真的長篇文章，也能協助影像和語音領域的應用開發。