Последнее десятилетие в области компьютерных технологий ознаменовалось началом новой «весны искусственного интеллекта». Впрочем, ситуацию в индустрии в наши дни можно, наверное, охарактеризовать уже не как весну, а полноценное «лето ИИ». Судите сами, за последние неполные 10 лет только в области обработки естественного языка (Natural language processing, NLP) произошли уже две настоящие технологические революции. Появившаяся в результате второй из них модель GPT-3 произвела настоящий фурор не только в технологических медиа, но стала знаменитой далеко за пределами научного сообщества. Например, GPT-3 написала для издания «The Guardian» эссе о том, почему ИИ не угрожает людям. GPT-3 сочиняет стихи и прозу, выполняет переводы, ведёт диалоги, даёт ответы на вопросы, хотя никогда специально не училась выполнять эти задачи. До недавних пор все возможности GPT-3 могли по достоинству оценить лишь англоязычные пользователи. Мы в Сбере решили исправить эту досадную оплошность. И сейчас расскажем вам, что из этого получилось.
Две революции в обработке естественного языка
Первая революция в NLP была связана с успехами моделей, основанных на векторных представлениях семантики языка, получаемых при помощи методов обучения без учителя (Unsupervised learning). Расцвет этих моделей начался с публикации результатов Томаша Миколова (Tomáš Mikolov), аспиранта Йошуа Бенджио (Yoshua Bengio) (одного из «отцов-основателей» современного глубокого обучения, лауреата Премии Тьюринга), и появления популярного инструмента word2vec. Вторая же революция началась с развития механизмов внимания в рекуррентных нейронных сетях, вылившаяся в понимание того, что механизм внимания самодостаточен и вполне может быть использован и без самой рекуррентной сети. Появившаяся в результате нейросетевая модель получила название «трансформер» [transformer]. Она была представлена научному сообществу в 2017 году в статье с программным названием «Внимание — это всё, что вам нужно» [Attention Is All You Need], написанной группой исследователей из Google Brain и Google Research. Быстрое развитие сетей, основанных на трансформерах, привело к появлению гигантских языковых моделей, подобных Generative Pre-trained Transformer 3 (GPT-3) от OpenAI, способных эффективно решать множество задач из области NLP.
Для обучения гигантских трансформерных моделей нужны значительные вычислительные ресурсы. У вас не получится просто взять современную видеокарту и обучить такую модель на своём домашнем компьютере. В оригинальной публикации OpenAI представлено 8 вариантов модели, и если взять самую маленькую из них (GPT-3 Small) со 125 миллионами параметров и попытаться обучить её при помощи профессиональной видеокарты NVidia V100, оснащённой мощными тензорными ядрами, то на это уйдёт примерно полгода. Если же взять самый большой вариант модели со 175 млрд параметров, то результата придётся дожидаться почти 500 лет. Стоимость обучения самого большого варианта модели по тарифам облачных сервисов, предоставляющих современные вычислительные устройства в аренду, переваливает за миллиард рублей (и это ещё при условии линейного масштабирования производительности с увеличением числа задействованных процессоров, что в принципе недостижимо).
Да здравствуют суперкомпьютеры!
Понятно, что подобные эксперименты доступны только компаниям, обладающим значительными вычислительными ресурсами. Именно для решения подобных задач в 2019 году Сбер ввёл в эксплуатацию суперкомпьютер «Кристофари», занявший первое место по производительности в числе имеющихся в нашей стране суперкомпьютеров. 75 вычислительных узлов DGX-2 (в каждом по 16 карт NVidia V100), связанных сверхбыстрой шиной на базе технологии Infiniband, позволяют обучить GPT-3 Small всего за несколько часов. Однако и для такой машины задача обучения более крупных вариантов модели не является тривиальной. Во-первых, часть машины занята обучением других моделей, предназначенных для решения задач в области компьютерного зрения, распознавания и синтеза речи и множестве других областей, интересующих различные компании из экосистемы Сбера. Во-вторых, сам процесс обучения, использующий одновременно множество вычислительных узлов в ситуации, когда веса модели не помещаются в памяти одной карты, является весьма нестандартным.
В общем, мы оказались в ситуации, когда для наших целей не годился привычный многим torch.distributed. Вариантов у нас было не так уж и много, в итоге мы обратились к «родной» для NVidia реализации Megatron-LM и новому детищу Microsoft — DeepSpeed, что потребовало создания на «Кристофари» кастомных докерных контейнеров, с чем нам оперативно помогли коллеги из SberCloud. DeepSpeed, в первую очередь, дал нам удобные инструменты для model parallel тренировки, то есть разнесения одной модели на несколько GPU и для шардирования оптимизатора между GPU. Это позволяет использовать более крупные батчи, а также без горы дополнительного кода обучать модели с более чем 1,5 миллиардами весов.
Удивительным образом технологии за последние полвека в своём развитии описали очередной виток спирали — похоже, эпоха мейнфреймов (мощных компьютеров с терминальным доступом) возвращается. Мы уже привыкли, что основным инструментов разработки является персональный компьютер, выделенный в монопольное пользование разработчику. В конце 1960-х — начале 1970-х годов час работы мейнфрейма стоил примерно столько же, сколько составляла заработная плата оператора ЭВМ за целый месяц! Казалось, что эти времена ушли навсегда и «железо» стало навсегда дешевле рабочего времени. Однако, похоже, «железо» совершило впечатляющий «камбэк» [comeback]. Будни современного специалиста в области машинного обучения вновь напоминают будни Саши Привалова из повести братьев Стругацких «Понедельник начинается в субботу», с той лишь разницей, что место «Алдана» в нашем случае занимает «Кристофари», а роль магии и чародейства выполняют методы глубокого обучения [deep learning].
Из опыта SberDevices
Нам много раз приходилось в прошлом учить другие модели на основе трансформеров — это и различные наследники BERT'а, и модели «кодировщик (энкодер) — декодер» [encoder — decoder], подобные T5 от Google. Виртуальные ассистенты, созданные SberDevices для различных поверхностей, начиная новейшими SberBox и SberPortal и заканчивая привычным всем приложением Сбербанк Онлайн, используют в своей работе несколько подобных моделей для решения различных задач в ходе общения с пользователем. Например, виртуальный ассистент Джой использует в режиме «болталки» модель GPT-2 Medium, обученную на большом корпусе русской литературы, «доученную» на специальном диалоговом датасете и снабжённую особым механизмом ранжирования, предназначенным для выбора наиболее интересных ответов. Такие модели способны вести с пользователем беседу, не выбирая реплики из заранее заготовленной библиотеки ответов, а изготавливая свои фразы «на лету», что делает общение с ними более разнообразным и занимательным.
Конечно, такую «болталку» нельзя использовать без некоторой страховки в виде системы микроинтентов (правил, предназначенных для того, чтобы давать контролируемые ответы на некоторые, наиболее чувствительные вопросы) и отдельной модели, предназначенной для уворотов от провокационных вопросов, но даже в таком ограниченном виде «генеративная» «болталка» способна заметно поднять настроение своему собеседнику.
Словом, наш опыт в обучении больших трансформерных моделей пришёлся как нельзя кстати, когда руководство Сбера приняло решение о выделении вычислительных ресурсов под исследовательский проект по обучению GPT-3. Такой проект потребовал объединения усилий сразу нескольких подразделений. Со стороны SberDevices лидерскую роль в этом процессе взяло на себя Управление экспериментальных систем машинного обучения (при этом в работе участвовал также ряд экспертов из других команд), а со стороны Sberbank.AI — команда AGI NLP. В проект также активно включились наши коллеги из SberCloud, занимающиеся сопровождением «Кристофари».
Совместно с коллегами из команды AGI NLP нам удалось собрать первую версию русскоязычного обучающего корпуса суммарным объёмом свыше 600 Гб. В него вошла огромная коллекция русской литературы, снапшоты русской и английской Википедии, коллекция снапшотов новостных и вопрос-ответных сайтов, публичные разделы Pikabu, полная коллекция материалов научно-популярного портала 22century.ru и банковского портала banki.ru, а также корпус Omnia Russica. Кроме того, поскольку мы хотели поэкспериментировать с возможностью обработки программного кода, мы включили в обучающий корпус снапшоты github и StackOverflow. Команда AGI NLP провела большую работу по чистке и дедупликации данных, а также по подготовке наборов для валидации и тестирования моделей. Если в оригинальном корпусе, использованном OpenAI, соотношение английского и других языков составляет 93:7, то в нашем случае соотношение русского и других языков составляет примерно 9:1.
В качестве основы для первых экспериментов мы выбрали архитектуры GPT-3 Medium (350 миллионов параметров) и GPT-3 Large (760 миллионов параметров). При этом мы обучали модели как с чередованием блоков трансформера с разреженным [sparse] и полным [dense] механизмами внимания, так и модели, в которых все блоки внимания были полными. Дело в том, что в оригинальной работе от OpenAI говорится о чередовании блоков, но не приводится их конкретная последовательность. Если все блоки внимания в модели будут полными, это увеличивает вычислительные затраты на обучение, но гарантирует, что предсказательный потенциал модели будет использован в полной мере. В настоящее время в научном сообществе ведётся активное изучение различных моделей внимания, предназначенных для снижения вычислительных затрат при обучении моделей и увеличения точности. За короткое время исследователями были предложены лонгформер [longformer], реформер [reformer], трансформер с адаптивным диапазоном внимания [adaptive attention span], сжимающий трансформер [compressive transformer], поблочный трансформер [blockwise transformer], BigBird, трансформер с линейной сложностью [linformer] и ряд других аналогичных моделей. Мы также занимаемся исследованиями в этой области, при этом модели, составленные из одних только dense-блоков, являются своеобразным бенчмарком, позволяющим оценить степень снижения точности различных «ускоренных» вариантов модели.
Конкурс «AI 4 Humanities: ruGPT-3»
В этом году в рамках AI Journey команда Sberbank.AI организовала конкурс «AI 4 Humanities: ruGPT-3». В рамках общего зачета участникам предлагается представить прототипы решений для любой бизнес- или социальной задачи, созданных с помощью предобученной модели ruGPT-3. Участникам специальной номинации «AIJ Junior» предлагается на базе ruGPT-3 создать решение по генерации осмысленного эссе по четырем гуманитарным предметам (русский язык, история, литература, обществознание) уровня 11 класса (ЕГЭ) по заданной теме/тексту задания.
Специально для этих соревнований мы обучили три версии модели GPT-3: 1) GPT-3 Medium, 2) GPT-3 Large с чередованием sparse и dense-блоков трансформера, 3) наиболее «мощную» GPT-3 Large, составленную из одних только dense-блоков. Обучающие датасеты и токенизаторы у всех моделей идентичны — использовался BBPE-токенизатор и наш кастомный датасет Large1 объёмом 600 Гб (его состав приведён в тексте выше).
Все три модели доступны для скачивания в репозитории соревнований.
Вот несколько забавных примеров работы третьей модели:
Как модели, подобные GPT-3, изменят наш мир?
Важно понимать, что модели типа GPT-1/2/3, на самом деле, решают ровно одну задачу — они пытаются предсказать следующий токен (обычно слово или его часть) в последовательности по предшествующим. Такой подход позволяет использовать для обучения «неразмеченные» данные, то есть обойтись без привлечения «учителя», а с другой стороны позволяет решать довольно широкий спектр задач из области NLP. Ведь в тексте диалога, например, реплика-ответ является продолжением истории общения, в художественном произведении — текст каждого абзаца продолжает предшествующий текст, а в сессии вопросов и ответов текст ответа следует за текстом вопроса. Модели большой ёмкости в результате могут решать многие такие задачи без специального дообучения — им достаточно тех примеров, которые укладываются в «контекст модели», который у GPT-3 довольно внушительный — целых 2048 токенов.
GPT-3 способна не только генерировать тексты (в том числе стихи, шутки и литературные пародии), но и исправлять грамматические ошибки, вести диалоги и даже (ВНЕЗАПНО!) писать более-менее осмысленный программный код. Множество интересных применений GPT-3 можно найти на сайте независимого исследователя Гверна Бренуэна (Gwern Branwen). Бренуэн, развивая идею, высказанную в шуточном твите Андрея Карпатого (Andrej Karpathy), задаётся интересным вопросом: не являемся ли мы свидетелями появления новой парадигмы программирования?
Вот текст исходного твита Карпатого:
«Мне нравится идея Программного обеспечения 3.0. Программирование переходит от подготовки датасетов к подготовке запросов, позволяющих системе метаобучения «понять» суть задачи, которую она должна выполнить. ЛОЛ» [Love the idea for Software 3.0. Programming moving from curating datasets to curating prompts to make the meta learner «get» the task it's supposed to be doing. LOL].
Развивая идею Карпатого, Бренуэн пишет:
«Нейронная сеть GPT-3 настолько огромна с точки зрения мощности и набора [использованных для обучения] данных, что демонстрирует качественно иное поведение: вы не применяете её к фиксированному набору задач, представленных в обучающем датасете, что требует повторного обучения модели на дополнительных данных, если вы хотите решить новую задачу (именно так надо переучивать GPT-2); вместо этого вы взаимодействуете с моделью, выражая любую задачу в виде описаний, запросов и примеров на естественном языке, подстраивая текст затравки [prompt], подаваемой на вход модели, до тех пор, пока она не «поймёт» и не научится на мета-уровне решать новую задачу, основываясь на высокоуровневых абстракциях, которые она выучила во время предобучения. Это принципиально новый способ использования модели глубокого обучения, и его лучше рассматривать как новый вид программирования, где «затравка» теперь является «программой», которая программирует GPT-3 для выполнения новых задач. «Затравочное программирование» похоже не столько на обычное программирование, сколько на попытку научить суперинтеллектуального кота освоить новый трюк: вы можете попросить его выполнить трюк, и иногда он выполняет его идеально, что делает ещё более неприятной ситуацию, когда в ответ на запрос он сворачивается, чтобы вылизать свою задницу, при этом вы будете понимать, что проблема не в том, что он не может, а в том, что он не хочет».
Поскольку наша модель в процессе обучения «видела» github и StackOverflow, она вполне способна писать код (иногда не лишённый весьма глубокого смысла):
Что дальше
В этом году мы продолжим работы над гигантскими трансформерными моделями. Дальнейшие планы связаны с дальнейшим расширением и очисткой датасетов (в них, в частности, войдут снапшоты сервиса препринтов научных публикаций arxiv.org и библиотеки научных исследований PubMed Central, специализированные диалоговые датасеты и датасеты по символьной логике), увеличением размера обучаемых моделей, а также использованием улучшенного токенизатора.
Мы надеемся, что публикация обученных моделей подстегнёт работу российских исследователей и разработчиков, нуждающихся в сверхмощных языковых моделях, ведь на базе ruGPT-3 можно создавать собственные оригинальные продукты, решать различные научные и деловые задачи. Пробуйте использовать наши модели, экспериментировать с ними и обязательно делитесь со всеми полученными результатами. Научный прогресс делает наш мир совершеннее и интереснее, давайте улучшать мир вместе!
Автор: Сергей Марков
