BERT 模型压缩方法

 

模型压缩可减少受训神经网络的冗余，由于几乎没有 BERT 或者 BERT-Large 模型可直接在 GPU 及智能手机上应用，因此模型压缩方法对于 BERT 的未来的应用前景而言，非常有价值。

 

一、压缩方法

1、剪枝——即训练后从网络中去掉不必要的部分。

这包括权重大小剪枝、注意力头剪枝、网络层以及其他部分的剪枝等。还有一些方法也通过在训练期间采用正则化的方式来提升剪枝能力（layer dropout）。

2、权重因子分解——通过将参数矩阵分解成两个较小矩阵的乘积来逼近原始参数矩阵。

这给矩阵施加了低秩约束。权重因子分解既可以应用于输入嵌入层（这节省了大量磁盘内存），也可以应用于前馈/自注意力层的参数（为了提高速度）。 

===> 分解成两个小矩阵的话参数会变少，例如 5*5 ==> 3*3  3*3

3、知识蒸馏——又名「Student Teacher」。

在预训练/下游数据上从头开始训练一个小得多的 Transformer，正常情况下，这可能会失败，但是由于未知的原因，利用完整大小的模型中的软标签可以改进优化。一些方法还将BERT 蒸馏成如LSTMS 等其他各种推理速度更快的架构。另外还有一些其他方法不仅在输出上，还在权重矩阵和隐藏的激活层上对 Teacher 知识进行更深入的挖掘。

4、权重共享——模型中的一些权重与模型中的其他参数共享相同的值。

例如，ALBERT 对 BERT 中的每个自注意力层使用相同的权重矩阵。

5、量化——截断浮点数，使其仅使用几个比特（这会导致舍入误差）。

模型可以在训练期间，也可以在训练之后学习量化值。

6、预训练和下游任务——一些方法仅仅在涉及到特定的下游任务时才压缩 BERT，也有一些方法以任务无关的方式来压缩 BERT。

 

Bibtex

Paper	Prune	Factor	Distill	W. Sharing	Quant.	Pre-train	Downstream
Compressing BERT: Studying the Effects of Weight Pruning on Transfer Learning	☑					☑	☑
Are Sixteen Heads Really Better than One?	☑						☑
Pruning a BERT-based Question Answering Model	☑						☑
Reducing Transformer Depth on Demand with Structured Dropout	☑					☑
Reweighted Proximal Pruning for Large-Scale Language Representation	☑					☑
Structured Pruning of Large Language Models		☑					☑
ALBERT: A Lite BERT for Self-supervised Learning of Language Representations		☑		☑		☑
Extreme Language Model Compression with Optimal Subwords and Shared Projections			☑			☑
DistilBERT, a distilled version of BERT: smaller, faster, cheaper and lighter			☑			☑
Distilling Task-Specific Knowledge from BERT into Simple Neural Networks			☑				☑
Distilling Transformers into Simple Neural Networks with Unlabeled Transfer Data			☑				☑
Attentive Student Meets Multi-Task Teacher: Improved Knowledge Distillation for Pretrained Models			☑			Multi-task	☑
Patient Knowledge Distillation for BERT Model Compression			☑				☑
TinyBERT: Distilling BERT for Natural Language Understanding			☑			☑	☑
MobileBERT: Task-Agnostic Compression of BERT by Progressive Knowledge Transfer			☑			☑
Q8BERT: Quantized 8Bit BERT					☑		☑
Q-BERT: Hessian Based Ultra Low Precision Quantization of BERT					☑		☑

 

 结果比较，同时主要关注以下指标：参数缩减，推理加速和准确性。

若需要选一个赢家，我认为是 ALBERT，DistilBERT，MobileBERT，Q-BERT，LayerDrop和RPP。你也可以将其中一些方法叠加使用 4，但是有些剪枝相关的论文，它们的科学性要高于实用性，所以我们不妨也来验证一番：

 

 

Paper	Reduction	Of	Speed-up	Accuracy?	Comments
Compressing BERT: Studying the Effects of Weight Pruning on Transfer Learning	30%	params	?	Same	Some interesting ablation experiments and fine-tuning analysis
Are Sixteen Heads Really Better than One?	50-60%	attn heads	1.2x	Same
Pruning a BERT-based Question Answering Model	50%	attn Heads + FF	2x	-1.5 F1
Reducing Transformer Depth on Demand with Structured Dropout	50-75%	layers	?	Same
Reweighted Proximal Pruning for Large-Scale Language Representation	40-80%	params	?	Same
Structured Pruning of Large Language Models	35%	params	?	Same
ALBERT: A Lite BERT for Self-supervised Learning of Language Representations	90-95%	params	6-20x	Worse	Allows training larger models (BERT-xxlarge), so effectively 30% param reduction and 1.5x speedup with better acc.
Extreme Language Model Compression with Optimal Subwords and Shared Projections	80-98%	params	?	worse to much worse
DistilBERT, a distilled version of BERT: smaller, faster, cheaper and lighter	40%	params	2.5x	97%	🤗 Huggingface
Distilling Task-Specific Knowledge from BERT into Simple Neural Networks	99%	params	15x	ELMO equiv.	Distills into Bi-LSTMs
Distilling Transformers into Simple Neural Networks with Unlabeled Transfer Data	96%	params	?	?	Low-resource only
Attentive Student Meets Multi-Task Teacher: Improved Knowledge Distillation for Pretrained Models	90%	params	14x	better than Tang^	Distills into BiLSTMs.
Patient Knowledge Distillation for BERT Model Compression	50-75%	layers	2-4x	Worse	But better than vanilla KD
TinyBERT: Distilling BERT for Natural Language Understanding	87%	params	9.4x	96%
MobileBERT: Task-Agnostic Compression of BERT by Progressive Knowledge Transfer	77%	params	4x	competitive
Q8BERT: Quantized 8Bit BERT	75%	bits	?	negligible	"Need hardware to show speed-ups" but I don't think anyone has it
Q-BERT: Hessian Based Ultra Low Precision Quantization of BERT	93%	bits	?	"at most 2.3% worse"	^ probably same

 

相关论文和博文推荐

• 《稀疏 Transformer：通过显式选择集中注意力》（Sparse Transformer: Concentrated Attention Through Explicit Selection），论文链接：https://openreview.net/forum?id=Hye87grYDH）
• 《使用四元数网络进行轻量级和高效的神经自然语言处理》（Lightweight and Efficient Neural Natural Language Processing with Quaternion Networks，论文链接：http://arxiv.org/abs/1906.04393）
• 《自适应稀疏 Transformer》（Adaptively Sparse Transformers，论文链接：https://www.semanticscholar.org/paper/f6390beca54411b06f3bde424fb983a451789733）
• 《压缩 BERT 以获得更快的预测结果》（Compressing BERT for Faster Prediction，博文链接：https://blog.rasa.com/compressing-bert-for-faster-prediction-2/amp/）

最后的话：
1、请注意，并非所有压缩方法都能使模型更快。众所周知，非结构化剪枝很难通过 GPU 并行来加速。其中一篇论文认为，在 Transformers 中，计算时间主要由 Softmax 计算决定，而不是矩阵乘法。

2、期待有更好的模型压缩评价标准。就像 F1之类的。

3、其中一些百分比是根据 BERT-Large 而不是 BERT-Base 衡量的，仅供参考。

4、不同的压缩方法如何交互，是一个开放的研究问题。

参考