따로 학습된 임베딩 번역하기

Harnessing the Universal Geometry of Embeddings

The Platonic Representation Hypothesis

• 충분한 크기의 데이터로 학습된 representation 모델들은 서로 다른 아키텍쳐로 따로 학습되었을지라도 결국 동일한 표현을 학습하게 된다
  • 플라톤? -> 이데아 이론
    • 이데아라고 부를 수 있는 변하지 않는 본질이 존재하고 우리가 실제로 감각하고 보는 것들은 마치 어두운 동굴 속에 갇힌 사람들이 벽에 비치는 사물의 그림자를 보는 것과 같은 이데아의 불완전한 묘사
  • 현실(본질적인 특성)이 존재할 때, 이미지와 텍스트는 이를 각각 다른 방식으로 묘사하지만 그 뒤에는 결국 하나의 진실(본질; 통계적 속성)이 존재하므로 데이터와 모델의 크기가 커질수록, 그리고 downstream task에서 잘 작동하는 유능한 모델이 될수록, 여러 임베딩이 하나의 표현으로 수렴
• 위 논문은 다양한 방식으로 훈련된 임베딩에 대해 alignment 지표를 관찰한 결과를 간접적인 증거로 같이 제시
• 조금 더 자세한 근거는
  • Task Generality : 데이터가 대규모이고 모델의 태스크가 범용적일(어려울) 수록 제약이 많아지고 결국 그 제약을 만족시킬 수 있는 가능한 표현(solution)의 공간은 더더욱 작아짐(즉 도달 가능한 목표 공간은 거기서 거기일 것임)
  • Model Capacity : 모델이 커질수록 최적해를 더 효과적으로 찾을 수 있기 때문에 충분히 유능한 모델은 수렴할 가능성이 높음.
  • Simplicity Bias : 입출력이 동일하더라도 내부 표현은 다르게 학습할 수 있지만 딥한 네트워크는 본질적으로 가장 simple fit을 찾도록 편향되어 있기 때문에 여러 가능한 복잡한 표현 중에서도 공유된 solution 공간으로 수렴할 가능성이 큼.

vec2vec

• 이 플라톤 표현 이론을 조금 더 발전시켜서 실제로 완전히 서로 다른 모델로 학습된 두 개의 임베딩을 (인코더를 모르더라도, 쌍으로 맵핑된 정답 없이도 완전히 비지도 방식으로) 성공적으로 연결할 수 있다는 것을 보여줌
• 구조
  • 입력 어댑터(A), 출력 어댑터(B), 공유된 backbone 네트워크(T) 3가지 어댑터가 존재
    • 입력 어댑터 A: 각 개별 임베딩 공간에서 나온 임베딩을 보편적인 잠재 표현으로 변환하는 역할
    • Shared Backbone Network T: 중간에서 잠재 공간 내에서 임베딩을 변환하는 역할
    • 입력 어댑터 B: 보편적인 잠재 표현에서 나온 임베딩을 각 개별 임베딩 공간의 표현으로 변환하는 역할
    • (T는 왜 필요하지? -> A는 단순히 각 모델에서 잠재 공간으로 일치시켜주는 역할이라면 T는 모델 1,2,3,..등 여러 다른 소스, 다른 도메인에서 온 임베딩들이 잠재 공간 내에서 정말 공통의 표현으로 잘 정렬될 수 있도록 하기 위한 목적의 MLP)
  • residual connections, layer normalization, and SiLU nonlinearities 조합의 MLP를 사용
  • 4종의 함수
    • 변환 함수:
      • F1 = B2 ∘ T ∘ A1: 모델1 공간에서 모델2 공간으로 변환
      • F2 = B1 ∘ T ∘ A2: 모델1 공간에서 모델2 공간으로 변환
    • 재구성 함수:
      • R1 = B1 ∘ T ∘ A1: 모델1 공간에서 잠재 공간을 거쳐 다시 모델1 공간으로 재구성
      • R2 = B2 ∘ T ∘ A2: 모델2 공간에서 잠재 공간을 거쳐 다시 모델2 공간으로 재구성
• 학습
  • 궁극적 목표: 동일한 텍스트에 대해 여러 방식으로 학습된 임베딩이 공유된 보편적인 잠재 표현 기준으로 거의 동일해지는 것
  • loss
    • 재구성 손실 (Reconstruction Loss) : 임베딩이 잠재 공간을 거쳐 원래 공간으로 돌아왔을 때 온전히 잘 돌아와야 함
    • 사이클 일관성 손실 (Cycle Consistency Loss) : 임베딩이 잠재 공간을 거쳐 다른 공간에 갔다가 다시 원래 공간으로 돌아왔을 때 온전히 잘 돌아와야 함
    • 벡터 공간 보존 (Vector Space Preservation Loss) : 변환된 임베딩들 간의 pairwise 거리가 변환 전의 임베딩들 간의 거리와 비슷해야 함 (= 임베딩 공간 내의 상대적인 구조가 변환하면서 왜곡되지 않도록)
    • 적대적 손실 (Adversarial Loss) : 일반적인 GAN 학습 방식과 동일함. F와 R이 generator라면 discriminator 네트워크를 따로 둬서 변환된(생성된) 임베딩 분포를 타겟 분포와 잘 맞출 수 있도록 함
  • 2개의 임베딩 공간이 잠재 공간을 사이에 두고 벡터가 이리 갔다 저리 갔다 돌아왔다 난리를 쳐도 안정적으로 값이 유지될 때 우리의 A-T-B 어댑터가 완전하다고 볼 수 있어 라는 논리
  • GAN loss같은 경우는 ablation 했을 때 성능이 많이 떨어지는 것으로 보아 잠재공간으로 변환하는(새 벡터를 생성하는) 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 보인다고 함
• 평가
  • 과제
    • 소스 임베딩 $u_i = M_1(d_i)$가 주어졌지만 $M_1$이 뭔지는 모르는 상황에서, 동일한 원본 문서에 대한 타겟 모델의 임베딩 $v_i=M_2(d_i)$ 에 최대한 가까운 벡터 $F(u_i)$ 를 생성해야 함
  • 지표
    • Mean Cosine Similarity : 번역된 임베딩 $F(u_i)$가 실제 타겟 임베딩 $v_i$와 얼마나 유사한가 = 1.0이어야 이상적
    • Top-1 Accuracy: 번역된 임베딩 $F(u_i)$가 타겟 임베딩 후보 집합 $M_2(d_j)$ 내에서 실제 타겟 임베딩 $v_i$와 가장 가까운(역시 코사인 유사도 기준) 임베딩으로 올바르게 식별되는 비율 = 1.0이어야 이상적
    • Mean Rank: 번역된 임베딩 $F(u_i)$가 타겟 임베딩 후보 집합 $M_2(d_j)$ 을 비교했을 때 실제 타겟 임베딩 $v_i$의 평균 순위 = 1위어야 이상적
  • Natural Questions(NQ) 데이터를 통해 학습했는데, 같은 데이터를 통한 평가(in-distrbution) 결과 뿐 아니라 아예 도메인이 다른 트윗 데이터나 의료 기록 데이터에서도 좋은 성능을 보여 일반화 능력이 확인

임베딩과 보안

• 지금까지 산업장면에서 일반적으로 임베딩 데이터는 다른 데이터에 비해 보안대상이 아니었음 (그 데이터만 봤을 때 알아낼 수 있는 정보가 없다고 여겨졌기 때문에)
• 그러나 이메일 데이터로 실험한 결과, vec2vec을 활용해 모르는 모델로 학습된 임베딩의 modality와 언어 정보 정도만 알았을 때에도 그 안에서 최대 80%까지 유의미한 정보를 추출할 수 있었음
  • 재구성된 텍스트가 완벽하지는 않았지만 이름, 날짜, 승진 정보, 재무 정보, 서비스 중단, 점심 주문 등 민감한 정보를 추출
• 결론
  • vec2vec이 두 개 임베딩 공간을 효율적으로 변환할 수 있고, 단순히 기하학적인 구조만이 아닌 텍스트의 의미론적인 내용까지 보존
  • 임베딩이 ‘봐도 뭔지 알 수 없는 몇백개의 숫자일 뿐’이라는 생각은 위험할 수 있음