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今天分享一篇Microsoft公司的一篇文章，Title: Improving Text Embeddings with Large Language Models：使用大型語言模型改善文本嵌入。

這篇文章探索了直接利用LLM來做embedding模型，其只需要利用合成數(shù)據(jù)和少于1000次的訓(xùn)練步驟就能獲得高質(zhì)量文本表征。

該方法分為兩步：1）利用LLM生成文本embedding任務(wù)合成數(shù)據(jù)集：利用專有的大型語言模型（LLM）生成近100種語言的數(shù)十萬個文本嵌入任務(wù)的多樣化合成數(shù)據(jù)。2）對比損失微調(diào)：使用標準對比損失對開源的decoder-only LLM進行微調(diào)。

該方法特點總結(jié)如下：1）充分挖掘了大模型生成數(shù)據(jù)多樣性還不錯的特點，利用這個特點，可以利用LLM生成多樣性比較好、類型豐富、以及多語言的文本表征模型數(shù)據(jù)集。2）相對于之前例如SimCSE等模型，需要在大量語料上繼續(xù)做預(yù)訓(xùn)練以及微調(diào)，本文發(fā)現(xiàn)自回歸的LLM只需少量監(jiān)督數(shù)據(jù)就能獲得一個非常不錯的效果。3）多語言的檢索能力也不錯。

一、概述

Title：Improving Text Embeddings with Large Language Models論文地址：https://arxiv.org/abs/2401.00368

1 Motivation

• 現(xiàn)有的文本嵌入方法依賴于多階段預(yù)訓(xùn)練和少量標注數(shù)據(jù)的微調(diào)【大量數(shù)據(jù)->弱監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，少量標注數(shù)據(jù)->fine-tuning】，需要構(gòu)建復(fù)雜的訓(xùn)練流程，且數(shù)據(jù)集通常受限于任務(wù)多樣性和語言覆蓋范圍。
• 本文提出了一種新的方法：利用大型語言模型生成多樣化的合成數(shù)據(jù)，通過簡單但有效的訓(xùn)練步驟改善文本嵌入的質(zhì)量，特別在多種語言環(huán)境中效果非常不錯。

2 Methods

省流版總結(jié)：

• 合成數(shù)據(jù)生成：分兩步生成合成數(shù)據(jù)，第一步生成檢索任務(wù)主題，第二步根據(jù)主題生成問題、正樣本、負樣本。其特點是生產(chǎn)的檢索任務(wù)多樣性不錯、同時還可以生成多語言的數(shù)據(jù)集。
• 對比學習訓(xùn)練：利用常規(guī)的對比學習loss InfoNCE函數(shù)訓(xùn)練模型，只是用合成數(shù)據(jù)，只需要1k步左右訓(xùn)練就能有一個不錯的效果，疊加監(jiān)督數(shù)據(jù)效果更佳 。

2.1 利用LLM生成訓(xùn)練樣本

通常訓(xùn)練embedding模型強烈依賴正負樣本數(shù)據(jù)，標注成本比較高。這里本文嘗試利用專有LLM（如GPT-4）生成近100種語言的多樣化合成數(shù)據(jù)，用于訓(xùn)練embedding模型。

背景：使用LLM合成數(shù)據(jù)，增強文本嵌入模型的多樣性和魯棒性。方法：設(shè)計了多種任務(wù)類型和語言的模板，通過LLM生成合成數(shù)據(jù)。特點:  能夠覆蓋廣泛的任務(wù)和語言類型，提高數(shù)據(jù)的多樣性和質(zhì)量。

1）利用LLM列舉檢索任務(wù)：

2）針對每個任務(wù)，利用LLM按照要求生成訓(xùn)練樣本：

2.2 模型訓(xùn)練

要點一：需要指定任務(wù)task_definition，輸入用戶問題。其中合成的數(shù)據(jù)用2.1中第一步LLM生成的任務(wù)定義，其他數(shù)據(jù)集人工設(shè)置固定的模版。

要點二：相似度計算方式為cos相似度，并結(jié)合溫度系數(shù)超參數(shù)來調(diào)節(jié)具體值。

要點三：Loss函數(shù)為標準的InfoNCE函數(shù)，其懲罰了負樣本，提升正樣本的相似度分數(shù)。

3 Conclusion

結(jié)論1: 使用LLM生成的合成數(shù)據(jù)可以顯著提升文本嵌入的性能。

結(jié)論2: 方法在多語言環(huán)境下表現(xiàn)良好，特別是在BEIR和MTEB基準上。

結(jié)論3: 本方法提供了一種更高效的文本嵌入訓(xùn)練策略，避免了復(fù)雜的多階段訓(xùn)練。

4 Limitation

1. 盡管在多種語言中表現(xiàn)良好，但對低資源語言的支持仍有待改進，利用LLM做文本embedding成本還比較高。
2. 未來工作將探索使用開源LLM生成合成數(shù)據(jù)，并提高模型在長文本處理方面的效率。

二、詳細內(nèi)容

2.1 合成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

結(jié)論1： 生成了500k個樣例，涵蓋了150k個獨特指令。包括非對稱任務(wù)（query和doc不對稱）：short-long代表query是短文本，doc為長文本，其他可以反推。另一類任務(wù)是對稱任務(wù)（query和doc語義相近，但是不對等）：sts代表單語言語義相似度計算、bitext代表雙語言檢索任務(wù)。結(jié)論2： 生成數(shù)據(jù)中覆蓋93種語言。語言多樣性不錯，英語占大多數(shù)，其他語言占比也不少。

2.2 模型微調(diào)與評估

試驗設(shè)置：基座模型為Mistral-7b，微調(diào)方法為Lora，rank=16。

結(jié)論1： "E5mistral-7b + full data"模型在MTEB基準上超過先前最佳模型2.4分。結(jié)論2： 使用混合數(shù)據(jù)微調(diào)的模型在MTEB基準上取得了最高平均得分。結(jié)論3： w/synthetic data only代表僅使用合成數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型表現(xiàn)仍然競爭力十足。

結(jié)論4： 該方法的實驗結(jié)果顯示了生成語言建模和文本嵌入之間的潛在聯(lián)系。

2.3 與商業(yè)閉源模型對比

結(jié)論：在BEIR Retrieval數(shù)據(jù)集和MTEB數(shù)據(jù)集都取得了SoTa。

2.4 LLM只需要少量數(shù)據(jù)做微調(diào)即可取得比較好的效果

結(jié)論一：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)利用大量數(shù)據(jù)結(jié)合對比學習做無監(jiān)督訓(xùn)練可以帶來不錯的提升。

結(jié)論二：經(jīng)過大量語料訓(xùn)練的自回歸LLM模型已經(jīng)不需要繼續(xù)做預(yù)訓(xùn)練了，只需要少量的數(shù)據(jù)微調(diào)即可取得比較好的效果。

2.5 多語言任務(wù)上也非常有競爭力

結(jié)論一：高資源（數(shù)據(jù)量多）任務(wù)例如英語，效果比之前的mE5模型效果好，低資源任務(wù)效果相對mE5也非常有競爭力。

2.6 消融實驗：instruction設(shè)置比較關(guān)鍵

結(jié)論一：基座模型選擇也比較重要，選擇LLaMA-2的基座模型比Mistral-7b作為基座模型差。

結(jié)論二：instruction的設(shè)置也非常重要，對最終結(jié)果的影響可能差4個點以上。

2.7 context長度對檢索質(zhì)量的影響：4k左右上下文文本表征都還不錯，隨后效果急劇下降。

結(jié)論：引入了一項名為個性化密碼檢索的新型合成任務(wù)，此任務(wù)需要在長上下文中將密鑰信息編碼到嵌入中。通過更改圖5中的滑動窗口大小和RoPE旋轉(zhuǎn)底座來比較不同變體的性能。結(jié)果顯示，帶有4k滑動窗口的默認配置在4k token數(shù)達到100%的準確性，但隨著上下文長度的增長，準確性會迅速下降。

三、總結(jié)

結(jié)論1：利用LLM生成的合成數(shù)據(jù)可以顯著提升文本嵌入的性能。 這種方法在處理多種語言時尤其有效，能夠生成高質(zhì)量、多樣化的合成數(shù)據(jù)。

結(jié)論2：利用LLM訓(xùn)練Embedding模型可以非常高效。 與現(xiàn)有多階段方法相比，其只需要少于1000次的訓(xùn)練步驟就可以拿到比較好的效果，而現(xiàn)有方法可能要先利用大量數(shù)據(jù)做自監(jiān)督訓(xùn)練，然后再使用有監(jiān)督數(shù)據(jù)訓(xùn)練，效率不高。結(jié)論3：本文利用LLM做embedding是一個突破，但產(chǎn)業(yè)界還不太適用。 本文首次探索LLM做embedding，效果還不錯，但模型大，推理成本也高，產(chǎn)業(yè)界實用性不高（bge相關(guān)模型只有400M左右，本文方法模型達到7B以上），后續(xù)可以探索LLM生成和挖掘正負樣本數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)方法例如雙塔+SimCSE系列等模型進行訓(xùn)練，然后再應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)界。

本文轉(zhuǎn)載自?? NLP PaperWeekly??，作者： ??NLP PaperWeekly??