不以英语为中心，百种语言互译，FB开源首个单一多语言MT模型

2020 年 10 月 20 日 机器之心

机器之心报道

机器之心编辑部

Facebook AI 近日开源了多语言机器翻译模型 M2M-100，该模型不依赖以英语为中心的数据，可以实现 100 种语言之间的相互翻译。

机器翻译（MT）打破了人类之间的语言障碍。如今，平均每天需要在 Facebook 新闻提要上提供 200 亿次翻译，这得益于低资源机器翻译领域的发展以及评估翻译质量的最新进展。

典型的 MT 系统需要为每种语言和每种任务构建单独的 AI 模型，但这种方法无法在 Facebook 上进行有效推广，因为人们在数十亿个帖子中发布超过 160 种语言的内容。先进的多语言处理系统能够同时处理多种语言，但由于依赖英语数据来弥合源语言和目标语言之间的差距，在准确性上会有所折中。

因此，我们需要一种可以翻译任何语言的多语言机器翻译（multilingual machine translation, MMT）模型，从而更好地服务于全球近三分之二不使用英语的人们。

近日，Facebook 根据多年对 MT 的研究宣布实现了一个重要的里程碑： 首个单一的大规模 MMT 模型，该模型可以实现 100x100 个语言对的直接翻译，而不依赖以英语为中心的数据 。这个单一的多语言模型表现得和传统双语模型一样好，并且比以英语为中心的多语言模型提高了 10 个 BLEU 点。

具体而言，通过使用新的挖掘策略来创建翻译数据，该研究构建了首个真正的多对多数据集。该数据集拥有 100 种语言的 75 亿个句子。研究者使用可扩展技术来建立具有 150 亿个参数的通用模型，它从相关语言中捕获信息，并反映出更加多样化的语言文字和词法。目前，这项研究已经开源。

论文主页：https://ai.facebook.com/research/publications/beyond-english-centric-multilingual-machine-translation
GitHub 地址：https://github.com/pytorch/fairseq/tree/master/examples/m2m_100

挖掘语言方向

构建多对多 MMT 模型的最大障碍之一是：在任意方向翻译大量的高质量句子对（也称为平行句），而不需要涉及英语。从中文到英文、从英文到法文的翻译要比从法文到中文容易得多。更重要的是，模型训练所需的数据量会随着语言数量的增加而呈二次增长。例如，如果每个方向需要 10M 句子对，我们需要挖掘 10 种语言的 1B 句子对和 100 种语言的 100B 句子对。

该研究建立了多样化的多对多 MMT 数据集：跨越 100 种语言的 75 亿句子对。通过结合互补的数据挖掘资源：ccAligned、ccMatrix 以及 LASER。此外该研究还创建了一个新的 LASER 2.0 并改进了 fastText 语言识别，提高了挖掘质量，并开放了源代码的训练和评估脚本。所有的数据挖掘资源都利用公开数据集，并且都是开源的。

多对多数据集和多语言模型示意图。

尽管如此，即使使用了像 LASER 2.0 这样先进的底层技术，为 100 种不同语言的任意对（或是 4450 种可能的语言对）挖掘大规模训练数据仍然需要大量的计算。为了使这种数据挖掘规模更容易管理，该研究首先关注翻译请求最多的语言。因此，以最高质量的数据和最大数量的数据为优先挖掘方向。该研究避开了在统计上很少需要翻译的方向，比如冰岛语到尼泊尔语翻译，或者是僧伽罗语到爪哇语的翻译。

桥梁语言策略

接着，研究者提出了一种新的桥梁挖掘（bridge mining）策略，其中按照语言分类、地域和文化相似性将 100 种语言分成了 14 个语系。这样做是因为，同一个语系中的人（包含多种语言）往往交流更频繁，并将从高质量翻译中收益。举例而言，一个语系中将涵盖印度境内使用的孟加拉语、印地语、马拉地语、尼泊尔语、泰米尔语和乌尔都语等多种语言。研究者系统性地挖掘每个语系中所有可能的语言对。

为了连通不同语系的语言，研究者确定了少量的桥梁语言（bridge language），它们通常由每个语系中的 1 至 3 种主要语言构成。如上述印度境内所使用的语言中，印地语、孟加拉语和泰米尔语是雅利安语的桥梁语言。然后，研究者挖掘这些桥梁语言所有可能组合的并行训练数据。通过这种方法，训练数据集最终生成了 75 亿个并行句子，对应 2200 个语言方向（direction）。

由于挖掘的数据可以用来训练给定语言对的两个不同方向，如 en→fr 和 fr→en，因此挖掘策略有助于实现高效、稀疏地挖掘，从而以最佳的状态覆盖一个模型中的所有 100×100（共计 9900）个方向。

训练语料库中桥梁语言的数据量。

反向翻译策略

为了对低翻译质量的语料匮乏语言补充并行数据，研究者使用了反向翻译（back-translation）策略。举例而言，如果想要训练一个汉语 - 法语翻译模型，则应该首先训练一个法语到汉语的模型，并翻译所有的单一法语数据以创建合成的反向翻译汉语。研究者发现，反向翻译策略在大规模语言转换中特别有效，比如将亿万个单语句子转换为并行数据集。

具体而言，研究者使用反向翻译策略作为已经挖掘语言对方向训练的补充，将合成反向翻译数据添加到挖掘的并行数据中。此外，研究者还使用反向翻译策略为以往无人监督的语言对方向创建数据。

仅挖掘数据 VS 反向翻译策略加持形成的语言对比较。

总的来说，与单靠挖掘数据上的训练相比，桥梁策略和反向翻译数据的结合将 100 个反向翻译方向上的性能提升了 1.7BLEU。有了鲁棒性更强、高效和高质量的数据集，这就为构建和扩展多对多（many-to-many）语言模型打下了坚实基础。

在语言对无可用训练数据的零样本设置下，研究者也发现了令人印象深刻的结果。举例而言，如果一个模型在法语 - 英语和德语 - 瑞典语语料库中进行训练，则可以实现法语和瑞典语的零样本转译。在多对多模型必须实现非英语方向之间零样本转译的设置下，则该模型要比以英语为中心的多语言模型好得多。

多对多和以英语为中心语言模型的比较。在包含英语的评估方向上，多对多模型与以英语为中心模型的性能相当，但在非英语方向上的性能要好得多。

高速度高质量地将 MMT 模型扩展到 150 亿个参数

多语言翻译中的一个挑战是：单一模型必须从多种不同语言和多种脚本中捕获信息。为了解决这个问题，研究者发现扩展模型容量并添加特定于语言的参数的显著优势。扩展模型大小对于高资源语言对尤其有用，因为它们具有训练额外模型容量的大部分数据。

最终，当将模型规模密集扩展到 120 亿个参数时，研究者在所有语言方向上平均获得了 1.2BLEU 的平均提升。此后，进一步密集扩展所带来的回报逐渐减少。密集扩展和特定于语言的稀疏参数（32 亿个）的组合使得能够创建一个具有 150 亿个参数的更优模型。

研究者将其模型与双语基准和以英语为中心的多语言模型进行比较。研究者从具有 24 个编码器层和 24 个解码器层的 12 亿个参数基线开始，然后将以英语为中心的模型与 M2M-100 模型进行比较。接下来，如果将 12B 参数与 12 亿个参数进行比较，将获得 1.2BLEU 的提高。

为了扩展模型的大小，研究者增加了 Transformer 网络中的层数以及每层的宽度。研究者发现大型模型收敛迅速并且训练高效。值得注意的是，这是第一个利用 Fairscale（一个新的专门设计用于支持管道和张量并行性的 PyTorch 库）的多对多系统。

研究者建立了通用的基础架构，以通过将模型并行到 Fairscale 中来容纳无法在单个 GPU 上安装的大型模型，并且是基于 ZeRO 优化器、层内模型并行性和管道模型并行性构建的，以训练大型模型。

但是仅将模型扩展到数十亿个参数还不够。为了能够将此模型应用于生产，需要以高速训练尽可能高效地扩展模型。例如，许多现有研究使用多模型集成，其中训练了多个模型并将其用于同一个源句以生成翻译。为了降低训练多个模型所需的复杂度和计算量，研究者探索了多源自集成技术，该技术可将源句子翻译成多种语言以提升翻译质量。此外，研究者还在该研究中引入了 LayerDrop 和 Depth-Adaptive，以用常规主干和一些语言特定参数集来共同训练模型。

这种方法对于多对多模型非常有效，因为它提供了一种按照语言对或语言族来拆分模型的自然方法。通过将模型容量的密集扩展与特定于语言的参数结合，该研究提供了大型模型的优势以及学习不同语言的特定层的能力。

研究者表示，他们将继续通过整合此类前沿研究来提升模型，探索方法以负责任地部署 MT 系统，并创建更专业的计算架构将模型投入实际使用。

原文链接：https://ai.facebook.com/blog/introducing-many-to-many-multilingual-machine-translation/

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