딥러닝 | RAG(2021) 논문 리뷰

https://arxiv.org/pdf/2005.11401

pre-train된 LLM은 학습한 시점 이후의 데이터를 가지고 있지 않기때문에 outdated된 정보를 제공할 수 있으며 특히 domain-specific한 지식이 부족한 단점을 가지고 있습니다. 이를 보완하기 위해 주기적으로 LLM을 재학습시키거나 파인튜닝을 하는 방법이 고안되었지만 시간이나 비용적인 측면에서 비효율적이라는 문제점이 꾸준히 제기되어 왔습니다.

저 역시 domain-specific한 QA task를 실현하기 위해 LLM을 fine-tuning하고자 하는 시도를 하였지만 생각만큼 성능이 잘 확보되지 않으며 오히려 기존에 학습된 파라미터가 fine-tuning을 통해 망가지면서 답변 생성 성능이 저하되는 것을 여러번 경험한 바가 있습니다. 이럴 때 필요한 것이 RAG - Retrieval-Augmented Generation - 검색 증강 생성으로, LLM을 더 잘 활용하기 위해 널리 사용되고 있는 기술입니다.

RAG는 새로운 정보를 벡터 데이터베이스에 저장하고, 쿼리를 받았을때 데이터베이스에서 검색을 실행합니다. 이후 반환받은 관련 정보를 쿼리에 함께 담아 넘겨주면서 context 정보를 구체적으로 제공함으로써 기존의 문제점을 해결하고자 도모합니다.

본 포스팅에서는 RAG에 관해 처음으로 언급한 논문 <Retrieval-Augmented Generation for Knowledge-Intensive NLP Tasks>를 읽고 주요 내용을 리뷰해 보도록 하겠습니다.

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Abstract

Large pre-trained language models have been shown to store factual knowledge in their parameters, and achieve state-of-the-art results when fine-tuned on downstream NLP tasks. However, their ability to access and precisely manipulate knowledge is still limited, and hence on knowledge-intensive tasks, their performance lags behind task-specific architectures. Additionally, providing provenance for their decisions and updating their world knowledge remain open research problems. (중략)

LLM은 많은 NLP task에서 SoTA 성능을 보여주며 다양하게 활용되어 왔지만, 지식을 습득하고 조종하는 부분에 있어 여전히 많은 한계점을 가지고 있습니다. 저 역시 개인적인 목적으로 GPT4.0등을 활용할 때와 달리 프로젝트를 위해 오픈소스 LLM 등을 활용할 때 특히 그러한 한계점을 많이 체감하게 되곤 했는데요. 특히 task-specific한 구조로 인해서 knowledge-intensive한 task에 있어서는 취약한 점이 많았죠. 나아가 결정에 대한 출처를 제공하는 일, 기존의 지식을 업데이트하는 일은 여전히 미해결 연구 문제로 남아 있었다고 합니다.

We explore a general-purpose fine-tuning recipe for retrieval-augmented generation (RAG) — models which combine pre-trained parametric and non-parametric memory for language generation. We introduce RAG models where the parametric memory is a pre-trained seq2seq model and the non-parametric memory is a dense vector index of Wikipedia, accessed with a pre-trained neural retriever.

해당 논문에서는 2가지 종류의 knowledge를 사용하고 있습니다.

• Parametric knowledge : 모델이 사전에 학습한 파라미터 정보
• Non-parametric knowledge : retriever를 이용하여 외부 문서로부터 가져오는 파라미터 정보 (논문에서는 Wikipedea 활용)

그런데 논문에서 말하는 general-purpose fine-tuning recipe for RAG란 무엇일까요?

이어서 살펴보겠지만 RAG 모델의 파인튜닝은 리트리버와 생성기를 함께 엔드-투-엔드로 학습하여 모델을 최적화하는 과정을 의미합니다. 오늘날 우리가 RAG를 구현할 때는 이미 학습된 리트리버와 생성기를 LangChain과 같은 라이브러리에서 가져다 사용하기 때문에 별도의 파인튜닝 과정은 사실 필요 없습니다. 덕분에 보다 손쉽게 RAG 기능을 구현할 수 있는 것이죠. 물론 파인튜닝을 추가해서 더 고도화된 모델을 구현할 수도 있겠지만요.

We compare two RAG formulations, one which conditions on the same retrieved passages across the whole generated sequence, and another which can use different passages per token. (중략) For language generation tasks, we find that RAG models generate more specific, diverse and factual language than a state-of-the-art parametric-only seq2seq baseline.

본 논문에서는 2가지의 RAG 포뮬라를 비교 제시하는데요. 하나는 생성된 전체 시퀀스에 걸쳐 동일한 검색된 구절을 조건으로 하고, 다른 하나는 토큰당 다른 구절을 사용합니다. 이를 통해 생성 작업에 있어서 RAG 모델이 더 구체적이고 다양하며 사실에 기반한 언어를 생성한다는 사실을 발견했다고 합니다.

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1 Introduction

They cannot easily expand or revise their memory, can’t straightforwardly provide insight into their predictions, and may produce “hallucinations”. (중략) 

기존의 Pre-train된 neural language model들은 파라미터에 저장된 정보를 이용하여 훌륭한 답변을 생성해 내곤 하였는데요. 하지만 이러한 모델들은 기억을 쉽게 확장하거나 수정할 수 없는 단점, 예측에 대한 통찰력을 직접적으로 제공할 수 없는 단점, 그리고 가장 치명적으로 "환각(Hallucinations)"을 일으킬 수 있는 단점을 가지고 있었습니다.

The retriever (Dense Passage Retriever [26], henceforth DPR) provides latent documents conditioned on the input, and the seq2seq model (BART [32]) then conditions on these latent documents together with the input to generate the output. We marginalize the latent documents with a top-K approximation, either on a per-output basis (assuming the same document is responsible for all tokens) or a per-token basis (where different documents are responsible for different tokens). Like T5 [51] or BART, RAG can be fine-tuned on any seq2seq task, whereby both the generator and retriever are jointly learned.

Retriever는 인풋을 받아 latent documents을 제공하고, seq2seq 모델은 이러한 문서들을 묶어서 출력을 생성합니다. RAG는 잠재 문서(latent documents)들 중에서 상위 K개의 문서를 선택(top-K approximation)하여 이 문서들에 기반해 출력을 생성하는데, 이 과정은 두 가지 방식으로 이루어질 수 있습니다. 예시 질문 "팥빙수를 맛있게 만드는 방법은?"을 가지고 각각의 방법이 어떻게 사용되는지 구체화 해보도록 하겠습니다.

1. 출력 단위로(per-output basis): 하나의 문서가 모든 토큰에 대해 사용된다고 가정.
   • 모델이 가장 관련성 높은 문서 1개를 찾습니다. 예를 들어, 한 문서가 '팥빙수 레시피' 전체를 담고 있다고 가정합니다. 그 문서에서 얻은 모든 정보를 바탕으로 답변을 생성합니다.
   • 답변: "팥빙수를 맛있게 만들려면, 먼저 팥을 준비하고, 얼음을 갈아 위에 얹습니다. 그 다음, 연유와 다양한 토핑을 추가합니다."
2. 토큰 단위로(per-token basis): 각 토큰이 서로 다른 문서에 의해 지원될 수 있음.
   • 모델이 여러 문서를 찾습니다. 만약 한 문서는 '팥 조리법'을 설명하고, 또 다른 문서는 '팥빙수 토핑 아이디어'를 제공한다면, 각 단어(토큰)를 생성할 때 가장 적절한 문서에서 해당하는 정보를 가져옵니다. 예를 들어, 첫 번째 문서에서 "팥을 준비하고" 정보를 가져오고, 두 번째 문서에서 "얼음을 갈아 얹고" 정보를 가져오며, 세 번째 문서에서 "연유와 다양한 토핑을 추가합니다" 정보를 가져옵니다.
   • 답변: "팥을 준비하고, 얼음을 갈아 얹고, 연유와 다양한 토핑을 추가합니다.

Crucially, by using pre-trained access mechanisms, the ability to access knowledge is present without additional training.

특히 RAG 모델에서 리트리버와 생성기를 사전 학습된 상태로 사용하기 때문에 별도의 추가 학습 과정 없이도 외부 지식을 효과적으로 사용할 수 있다는 것을 강조하고 있습니다. 보통 RAG를 실현할 때 langchain같은 라이브러리에서 사전 학습된 리트리버와 생성기를 간단하게 가져다 쓰기만 하면 되는 것처럼, 무척 편리한 기능 구현이 가능한 것이 바로 RAG의 핵심이기도 하죠.

Finally, we demonstrate that the non-parametric memory can be replaced to update the models’ knowledge as the world changes.

non-parametric memory의 경우에는 업데이트가 가능하기 때문에 유지보수를 통해 최신 정보를 반영하고 정확도를 개선할 수가 있겠습니다.

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2 Methods

We explore RAG models, which use the input sequence x to retrieve text documents z and use them as additional context when generating the target sequence y.

RAG 모델은 입력 시퀀스 x를 사용하여 텍스트 문서 z를 검색하고, 이를 추가 컨텍스트로 활용하여 목표 시퀀스 y를 생성합니다.

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Figure 1.

1. Query Encoder (q(x)): 입력된 질문(query)을 벡터 형태로 인코딩합니다.
2. Retriever (Non-Parametric Memory): 인코딩된 질문을 기반으로 최대 내적 탐색(MIPS)을 사용하여 top-K 문서들을 찾습니다. (주어진 질문 x에 대해 상위 K개의 텍스트 구절 분포를 반환)
3. Document Index (d(z)): 검색된 문서들의 벡터 인덱스입니다.
4. Generator (Parametric Memory): 선택된 문서들(z)을 입력으로 받아 최종 출력을 생성합니다. 본 논문의 경우 seq2seq 모델(BART)을 채택하고 있습니다.
5. Marginalize: 여러 문서들로부터 얻은 출력을 종합하여 최종 답변(y)을 도출합니다. 다양한 문서에 대해 seq2seq 예측을 주변화(marginalize)합니다.

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이처럼 RAG 모델은 질문을 인코딩하여 관련 문서를 검색하고, 이를 바탕으로 답변을 생성합니다. 그렇다면 RAG는 retriever와 generator를 어떻게 학습시켰을까요?

To train the retriever and generator end-to-end, we treat the retrieved document as a latent variable. We propose two models that marginalize over the latent documents in different ways to produce a distribution over generated text. In one approach, RAG-Sequence, the model uses the same document to predict each target token. The second approach, RAG-Token, can predict each target token based on a different document.

RAG는 retrieved된 document를 latent variable로 취급한다고 명시하고 있습니다. 본 논문에서는 이와 같은 latent document에 대해 다른 방식으로 marginalization하는 두 가지 모델을 제안합니다.

1. RAG-Sequence 모델 : Same document를 사용하여 each target token을 예측
2. RAG-Token 모델 : Different document를 사용하여 each target token을 예측

RAG-Sequence 모델

 

하나의 문서 z에 대해 전체 시퀀스 y의 모든 토큰 yi에 대한 확률을 계산합니다. 모든 top-K 문서에 대해 이 과정을 반복한 후, 최종 값을 주변화(marginalize)하여 계산합니다. 즉, 각 문서에 대해 시퀀스 전체를 고려하여 최종 출력을 생성합니다.

RAG-Token 모델

RAG-Token model은 RAG-Sequence와 다르게 각 토큰 yi​를 생성할 때마다 모든 top-K 문서에 대해 확률을 계산하고, 그 후 주변화(marginalize)하여 최종 출력을 생성합니다. 즉, 각 토큰에 대해 개별 문서를 고려하여 출력을 생성합니다.

Retriever: DPR

앞서 언급한 바와 같이 RAG에서는 retriever 𝑝𝜂(𝑧|𝑥)로 DPR을 사용합니다. DPR은 기본적으로 bi-encoder 구조 - 사전 학습된 BERT 기반 인코더를 사용하여 리트리버를 초기화하고 문서 인덱스를 구축합니다.

https://arxiv.org/pdf/2004.04906

DPR은 논문 <Dense Passage Retrieval for Open-Domain Question Answering>에서 고안한 방법으로, RAG 논문보다 1년 앞서 출간되었습니다. 나중에 기회가 되면 DPR 논문도 리뷰해 보도록 하겠습니다.

Calculating top-k(pη(·|x)), the list of k documents z with highest prior probability pη(z|x), is a Maximum Inner Product Search (MIPS) problem, which can be approximately solved in sub-linear time [23]

주어진 질문 x에 대해 가장 높은 사전 확률 pη​(z∣x)을 가진 상위 K개의 문서 목록을 계산하는 것은 최대 내적 탐색(MIPS) 문제로 해결합니다. 즉, input x 에 대한 document z의 분포는 위에서 산출한 d(z) 와 q(x)의 내적 연산을 통해 계산되며, 이 내적 값이 높은 순서대로 top-k document를 골라 retrieve를 하게 되는데, 이 과정은 REALM에서 사용되었던 MIPS 알고리즘을 사용하여 효율적인(sub-linear time) 탐색을 가능하게 했다고 합니다.

Generator: BART

생성기로는 무엇을 사용해도 상관이 없으며 본 논문에서는 BART-large를 사용했다고 밝히고 있습니다. 

Training

We jointly train the retriever and generator components without any direct supervision on what document should be retrieved

DPR 기반의 리트리버와 BART-large 기반의 생성기는 학습 과정에서 동시에 학습됩니다. 이때, 어떤 문서가 검색되어야 하는지에 대한 직접적인 감독 없이 진행되는 비지도 학습(unsupervised learning) 방식이 적용됩니다. 오로지 출력 시퀀스에 대한 NLL(Negative marginal Log-Likelihood)을 최소화하는 방향으로 학습되며, 리트리버 또한 이 과정에서 NLL을 최소화하는 방향으로 학습됩니다.

Decoding

앞서 살펴본 두 가지 모델 RAG-Sequence와 RAG-Token은 각각 output 산출 방법이 다르므로 token decoding 하는 과정도 달라지게 됩니다.

1. RAG-Token 모델 : 표준 시퀀스-투-시퀀스 생성기처럼 작동하며, 여러 문서의 확률을 합산하여 전이 확률을 계산합니다. 이를 표준 빔 디코더에 적용하여 디코딩합니다.
2. RAG-Sequence 모델 : 각 문서에 대해 별도의 빔 서치를 실행하고, 최종 확률을 추정하기 위해 추가적인 forward pass를 실행합니다. 이를 "Thorough Decoding"이라 하며, 효율성을 위해 추가 패스를 생략하는 "Fast Decoding"도 있습니다.

이 때, 빔 서치는 가장 가능성 높은 N개의 후보를 유지하며 다음 토큰을 생성, 이 과정을 반복해 최종 출력 시퀀스를 생성하는 디코딩 방식을 의미합니다.

출처 : https://slideplayer.com/slide/14552918/

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Experiment & Result

해당 부분은 GPT4.0-Turbo를 이용하여 핵심 내용 정리 요약 후 패스하도록 하겠습니다.

1. Dense Passage Retriever (DPR): DPR은 dense encoding을 통해 질문과 패시지 간의 의미적 관계를 잘 파악합니다.
2. 성능 비교: BM25와 비교한 실험에서 대부분의 데이터셋에서 DPR이 더 우수한 성능을 보였습니다.
3. 효율성: 적은 수의 학습 예제로도 고품질의 dense retriever를 학습할 수 있습니다.
4. 일반화 성능: 학습된 데이터셋 외에도 어느 정도 잘 작동하며, BM25보다 우월한 성능을 보입니다.
5. 질적 분석: BM25는 키워드에 민감하고, DPR은 의미적 관계를 잘 파악합니다.
6. 종합 성능: 대부분의 데이터셋에서 DPR이 최상의 성능을 냈습니다.

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RAG의 가장 큰 장점은 parametric & non-parametric memory의 결합을 통해 보다 정확하고 다양한 정보를 생성할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 기존의 파라미터를 대량 업데이트하거나 fine-tuning 하지 않으면서도 domain-specific한 downstream task을 잘 수행할 수 있는 모델을 구현할 수 있게 되었습니다. 특히 검색 인덱스를 간단히 교체하여 모델을 업데이트할 수 있다는 점에서 매우 효율적이고 유용한 기법이라고 할 수 있겠습니다.

본 논문을 읽기 전에 langchain을 이용하여 RAG을 이미 구현해 본 입장에서, 논문을 통해 핵심 아이디어와 학습 방안에 대해 구체화하고 더 깊이 이해할 수 있어 무척 좋은 기회였습니다. 앞으로 RAG를 다양한 응용 분야에 적용해보고, task에 따라 어떤 방식으로 알맞게 사용할 수 있는지 실험해 보는 과정을 거쳐 보고자 합니다.

읽어주셔서 감사합니다 :)