原创：晋百川
BERT模型自18年10月推出，到目前为止已经有3年多时间了。BERT问世即引起轰动，之后，各种改进版本的预训练模型（Pre-Training Model, PTM）与应用层出不穷。BERT及它的继任者们，确实也不负众望，在多种NLP数据集竞赛榜单，连续多年被各种新出现的预训练模型霸榜，有些榜单，个别模型已经把指标刷到超过人类。今天就带大家聊一下BERT并进行案例实战。
一、BERT介绍
BERT的架构图如图1所示，从架构图我们可以看到BERT分三个模块，分别是Embedding模块、Transformer模块和输出的预微调模块。
图1
（1）Embedding模块：BERT中的该模块是由三种Embedding共同组成而成，如下图所示。
图2
- Token Embeddings 是词嵌入张量，第一个单词是CLS标志，可以用于之后的分类任务。
- Segment Embeddings 是句子分段嵌入张量，是为了服务后续的两个句子为输入的预训练任务。
- Position Embeddings 是位置编码张量，此处注意和传统的Transformer不同，不是三角函数计算的固定位置编码，而是通过学习得出来的。
- 整个Embedding模块的输出张量就是这3个张量的直接加和结果。
（2）双向Transformer模块：BERT中只使用了经典Transformer架构中的Encoder部分，完全舍弃了Decoder部分。BERT的Transformer的Encoder部分具有12个隐层，输出768维张量，共有12个自注意力头。
不了解Transformer的同学可以看这里！！！
https://zhuanlan.zhihu.com/p/396221959
（3）预微调模块：
- 经过中间层Transformer的处理后，BERT的最后一层根据任务的不同需求而做不同的调整即可。
- 比如对于sequence-level的分类任务，BERT直接取第一个[CLS] token 的final hidden state，再加一层全连接层后进行softmax来预测最终的标签。
- 对于不同的任务，微调都集中在预微调模块，几种重要的NLP微调任务架构图展示如下
图3
从上图中可以发现，在面对特定任务时，只需要对预微调层进行微调，就可以利用Transformer强大的注意力机制来模拟很多下游任务，并得到SOTA的结果(句子对关系判断, 单文本主题分类, 问答任务(QA)，单句贴标签(NER))。
二、BERT的预训练任务
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任务一：Masked LM (带mask的语言模型训练)
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关于传统的语言模型训练，都是采用left-to-right，或者left-to-right + right-to-left结合的方式，但这种单向方式或者拼接的方式提取特征的能力有限。为此BERT提出一个深度双向表达模型(deep bidirectional representation)。即采用MASK任务来训练模型。
- 在原始训练文本中，随机的抽取15%的token作为参与MASK任务的对象。
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- 在这些被选中的token中，数据生成器并不是把它们全部变成[MASK]，而是有下列3种情况。
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2.1 在80%的概率下，用[MASK]标记替换该token，比如my dog is hairy -> my dog is [MASK]
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2.2 在10%的概率下，用一个随机的单词替换token，比如my dog is hairy -> my dog is apple
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2.3 在10%的概率下，保持该token不变，比如my dog is hairy -> my dog is hairy
- 模型在训练的过程中，并不知道它将要预测哪些单词？哪些单词是原始的样子？哪些单词被遮掩成了[MASK]？哪些单词被替换成了其他单词？正是在这样一种高度不确定的情况下，反倒逼着模型快速学习该token的分布式上下文的语义，尽最大努力学习原始语言说话的样子。同时因为原始文本中只有15%的token参与了MASK操作，并不会破坏原语言的表达能力和语言规则。
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任务二：Next Sentence Prediction (下一句话预测任务)
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在NLP中有一类重要的问题比如QA(Quention-Answer)，NLI(Natural Language Inference)，需要模型能够很好的理解两个句子之间的关系，从而需要在模型的训练中引入对应的任务。在BERT中引入的就是Next Sentence Prediction任务。采用的方式是输入句子对(A，B)，模型来预测句子B是不是句子A的真实的下一句话。
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- 所有参与任务训练的语句都被选中作为句子A。
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1.1 其中50%的B是原始文本中真实跟随A的下一句话。(标记为IsNext，代表正样本)
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1.2 其中50%的B是原始文本中随机抽取的一句话。(标记为NotNext，代表负样本)
- 在任务二中，BERT模型可以在测试集上取得97%-98%的准确率。
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三、BERT的变体有哪些
- bert-base-uncased: 编码器具有12个隐层, 输出768维张量，12个自注意力头，共110M参数量，在小写的英文文本上进行训练而得到。
- bert-large-uncased: 编码器具有24个隐层，输出1024维张量，16个自注意力头，共340M参数量，在小写的英文文本上进行训练而得到。
- bert-base-cased: 编码器具有12个隐层，输出768维张量，12个自注意力头，共110M参数量，在不区分大小写的英文文本上进行训练而得到。
- bert-large-cased: 编码器具有24个隐层，输出1024维张量，16个自注意力头，共340M参数量，在不区分大小写的英文文本上进行训练而得到。
- bert-base-multilingual-uncased: 编码器具有12个隐层，输出768维张量，12个自注意力头，共110M参数量，在小写的102种语言文本上进行训练而得到。
- bert-large-multilingual-uncased: 编码器具有24个隐层，输出1024维张量，16个自注意力头，共340M参数量，在小写的102种语言文本上进行训练而得到。
- bert-base-chinese: 编码器具有12个隐层，输出768维张量，12个自注意力头，共110M参数量，在简体和繁体中文文本上进行训练而得到。
相信大家学到这里肯定又了一些收获，把你们的收获和疑问可以打在评论区，大家一起交流学习！！！
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