BERT Compression Based on PaddleSlim

BERT-base模型是一个迁移能力很强的通用语义表示模型，但是模型中也有一些参数冗余。本教程将介绍如何使用PaddleSlim对BERT-base模型进行压缩。

压缩原理

1. 对Fine-tuning得到模型通过计算参数及其梯度的乘积得到参数的重要性，把模型参数根据重要性进行重排序。
2. 超网络中最大的子网络选择和Bert-base模型网络结构一致的网络结构，其他小的子网络是对最大网络的进行不同的宽度选择来得到的，宽度选择具体指的是网络中的参数进行裁剪，所有子网络在整个训练过程中都是参数共享的。
3. 用重排序之后的模型参数作为超网络模型的初始化参数。
4. Fine-tuning之后的模型作为教师网络，超网络作为学生网络，进行知识蒸馏。

整体流程图

压缩结果

利用bert-base-uncased模型首先在GLUE数据集上进行finetune，得到需要压缩的模型，之后基于此模型进行压缩。压缩后模型参数大小减小26%（从110M减少到81M），压缩后模型在GLUE dev数据集上的精度和压缩前模型在GLUE dev数据集上的精度对比如下表所示：

Task	Metric	Result	Result with PaddleSlim
SST-2	Accuracy	0.93005	0.931193
QNLI	Accuracy	0.91781	0.920740
CoLA	Mattehew's corr	0.59557	0.601244
MRPC	F1/Accuracy	0.91667/0.88235	0.91740/0.88480
STS-B	Person/Spearman corr	0.88847/0.88350	0.89271/0.88958
QQP	Accuracy/F1	0.90581/0.87347	0.90994/0.87947
MNLI	Matched acc/MisMatched acc	0.84422/0.84825	0.84687/0.85242
RTE	Accuracy	0.711191	0.718412

表1-1: GLUE数据集精度对比

压缩前后模型的耗时如下表所示：

Device	Batch Size	Model	TRT(FP16)	Latency(ms)
T4	16	BERT	N	110.71
			Y	22.0
		Compressed BERT	N	69.62
			Y	14.93
	40	BERT	N	252.78
			Y	53.67
		Compressed BERT	N	168.71
			Y	37.22
V100	16	BERT	N	33.28
		Compressed BERT	N	21.83
Intel(R) Xeon(R) Gold 5117 CPU @ 2.00GHz	16	BERT	N	10831.73
		Compressed BERT	N	7682.93

表1-2: 模型速度对比

压缩后模型在T4机器上相比原始模型在FP32的情况下加速59%，在TensorRT FP16的情况下加速47.3%。 压缩后模型在V100机器上相比原始模型在FP32的情况下加速52.5%。 压缩后模型在Intel(R) Xeon(R) Gold 5117 CPU上相比原始模型在FP32的情况下加速41%。

快速开始

本教程示例以GLUE/SST-2 数据集为例。

环境依赖

模型压缩功能依赖最新版本的PaddleSlim

git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim
python setup.py build && python setup.py install

Fine-tuing

首先需要对Pretrain-Model在实际的下游任务上进行Finetuning，得到需要压缩的模型。Fine-tuning流程参考Fine-tuning教程

cd ../../benchmark/glue/

export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
export TASK_NAME=SST-2

python -u ./run_glue.py \
    --model_type bert \
    --model_name_or_path bert-base-uncased \
    --task_name $TASK_NAME \
    --max_seq_length 128 \
    --batch_size 32   \
    --learning_rate 2e-5 \
    --num_train_epochs 3 \
    --logging_steps 1 \
    --save_steps 500 \
    --output_dir ./tmp/$TASK_NAME/ \
    --n_gpu 1 \

参数详细含义参考README.md Fine-tuning 在dev上的结果如压缩结果表1-1中Result那一列所示。

压缩训练

python -u ./run_glue_ofa.py --model_type bert \
          --model_name_or_path ${task_pretrained_model_dir} \
          --task_name $TASK_NAME --max_seq_length 128     \
          --batch_size 32       \
          --learning_rate 2e-5     \
          --num_train_epochs 6     \
          --logging_steps 10     \
          --save_steps 100     \
          --output_dir ./tmp/$TASK_NAME \
          --n_gpu 1 \
          --width_mult_list 1.0 0.8333333333333334 0.6666666666666666 0.5

其中参数释义如下：

• model_type 指示了模型类型，当前仅支持BERT模型。
• model_name_or_path 指示了某种特定配置的模型，对应有其预训练模型和预训练时使用的 tokenizer。若模型相关内容保存在本地，这里也可以提供相应目录地址。
• task_name 表示 Fine-tuning 的任务。
• max_seq_length 表示最大句子长度，超过该长度将被截断。
• batch_size 表示每次迭代每张卡上的样本数目。
• learning_rate 表示基础学习率大小，将于learning rate scheduler产生的值相乘作为当前学习率。
• num_train_epochs 表示训练轮数。
• logging_steps 表示日志打印间隔。
• save_steps 表示模型保存及评估间隔。
• output_dir 表示模型保存路径。
• n_gpu 表示使用的 GPU 卡数。若希望使用多卡训练，将其设置为指定数目即可；若为0，则使用CPU。
• width_mult_list 表示压缩训练过程中，对每层Transformer Block的宽度选择的范围。

压缩训练之后在dev上的结果如压缩结果表格中Result with PaddleSlim那一列所示，延时情况如表1-2所示。

导出子模型

根据传入的config导出相应的子模型并转为静态图模型。

启动命令：

python -u ./export_model.py --model_type bert \
                             --model_name_or_path ${PATH_OF_MODEL_AFTER_OFA} \
                             --max_seq_length 128     \
                 --sub_model_output_dir ./tmp/$TASK_NAME/dynamic_model \
                             --static_sub_model ./tmp/$TASK_NAME/static_model \
                 --n_gpu 1 \
                 --width_mult  0.6666666666666666

其中参数释义如下：

• model_type 指示了模型类型，当前仅支持BERT模型。
• model_name_or_path 指示了某种特定配置的经过OFA训练后保存的模型，对应有其预训练模型和预训练时使用的tokenizer。若模型相关内容保存在本地，这里也可以提供相应目录地址。
• max_seq_length 表示最大句子长度，超过该长度将被截断。默认：128.
• sub_model_output_dir 指示了导出子模型动态图参数的目录。
• static_sub_model 指示了导出子模型静态图模型及参数的目录，设置为None，则表示不导出静态图模型。默认：None。
• n_gpu 表示使用的 GPU 卡数。若希望使用多卡训练，将其设置为指定数目即可；若为0，则使用CPU。默认：1.
• width_mult 表示导出子模型的宽度。默认：1.0.

OFA接口介绍

OFA API介绍参考API

另附：基于本代码对TinyBERT(L=4, D=312)进行压缩

下游任务模型是从TinyBERT官方repo转换得到。

压缩结果

Task	Metric	TinyBERT(L=4, D=312)	Result with OFA
SST-2	Accuracy	0.9234	0.9220
QNLI	Accuracy	0.8746	0.8720
CoLA	Mattehew's corr	0.4961	0.5048
MRPC	F1/Accuracy	0.8998/0.8554	0.9003/0.8578
STS-B	Person/Spearman corr	0.8635/0.8631	0.8717/0.8706
QQP	Accuracy/F1	0.9047/0.8751	0.9034/0.8733
MNLI	Matched acc/MisMatched acc	0.8256/0.8294	0.8211/0.8261
RTE	Accuracy	0.6534	0.6787

参考论文

1. Lu Hou, Zhiqi Huang, Lifeng Shang, Xin Jiang, Xiao Chen, Qun Liu. DynaBERT: Dynamic BERT with Adaptive Width and Depth.
2. H. Cai, C. Gan, T. Wang, Z. Zhang, and S. Han. Once for all: Train one network and specialize it for efficient deployment.