연속 확산 언어 모델(CDLM)의 부활
몇 년간 정체됐던 연속(continuous) 확산 언어 모델 연구가 최근 다시 활발해지고 있습니다. 이 글은 자기회귀(autoregressive) 방식이 지배하는 언어 모델 패러다임에 대한 대안으로서, 2021년 이산(discrete) 확산 모델과 2022년 Diffusion-LM 등 연속 확산 접근법의 역사와 기술적 배경을 정리합니다. 텍스트 생성의 병렬화·제어 가능성 측면에서 중요한 연구 흐름입니다.
최근 수년간의 상대적인 침체기 이후, 언어를 위한 연속(continuous) 확산 모델 분야에서 활발한 연구 활동이 쏟아지고 있으며, 이는 이 접근법이 상당한 부활을 맞이하고 있음을 시사한다. 완전히 이산(discrete)적인 확산 방법들이 언어에 연속 확산을 적용하려는 초기 시도들을 대부분 대체했지만, 이제 흐름이 바뀌기 시작하고 있다. 이 글에서는 무슨 일이 일어나고 있는지, 그리고 왜 지금 일어나는지 자세히 살펴보고자 한다. 이 분야의 최신 연구 유입이 나의 생각을 정리해 글로 써보게 만들었다. 나는 이전에도 확산 언어 모델에 대해 글을 쓴 적이 있으므로, 이 글은 그 이후에 일어난 모든 일을 다루는 업데이트 역할을 한다. 이것은 상당히 주관적인 서술이 될 것이다. 다른 관점과 반대 의견은 댓글이나 다른 곳에서 얼마든지 환영한다! 연속 확산의 기술적 측면은 나중에 논의하겠지만, 먼저 역사적 배경부터 살펴보자.
자기회귀의 패권에 도전하기 현대의 언어 모델은 대체로 자기회귀(autoregressive) 방식이다. 즉, 한 번에 토큰 하나씩 시퀀스를 생성한다. 이는 어려운 생성 작업을 더 작고 쉬운 순차적 단계들로 자연스럽게 분해하는 방식이다. 모든 단계는 동일한 기저 작업(이전 토큰들이 주어졌을 때 다음 토큰 예측)의 사례이므로, 시퀀스 차원에서의 파라미터 공유가 가능하다. 이처럼 본질적으로 순차적인 생성 과정에도 불구하고, Transformer 아키텍처는 교사 강제(teacher forcing)를 통해 시퀀스의 모든 위치에 걸쳐 효율적인 병렬 학습을 가능하게 한다. 이것이 매우 확장성 높은 레시피임이 입증되었고, 이를 통해 대규모 언어 모델(LLM)이 탄생했다.
그러나 자기회귀는 시퀀스를 위한 반복적 생성 과정을 구성하는 유일한 방법은 아니다. 연구자들은 오디오·비주얼 분야에서의 초기 성공에 영감을 받아 언어 생성에 확산(diffusion)을 적용하고자 했다. 시퀀스를 한 요소씩 생성하는 대신, 확산 모델의 생성 과정은 정보를 점진적으로 파괴하는 손상(corruption) 과정을 역전시키는 방식으로 정의된다. 가장 표준적인 방법은 가우시안 노이즈를 조금씩 더해 신호를 완전히 압도할 때까지 진행하는 것이다.
2021년: 초기 이산 확산 모델들 2019년과 2020년 이미지 생성 분야의 초기 성공 이후, 이 아이디어를 언어에 적용하려는 첫 시도가 2021년에 등장했다. 이는 연속적인 손상 과정을 범주형 데이터 모델링을 가능하게 하는 이산 과정으로 대체하는 것이었다: 다항(multinomial) 확산, D3PM, SUNDAE 등이 그것이다. 당시에는 자기회귀의 지배가 오늘날만큼 확고하지 않았다. GPT-3가 주목을 받기는 했지만 'ChatGPT 순간'은 2022년 말에야 왔다. 당시 이산 확산은 자기회귀 패러다임의 실제 이론적 결함들, 예컨대 교사 강제로 인한 노출 편향(exposure bias), 그리고 인필링(infilling) 및 제약 조건부 생성 작업 적용의 상대적 어려움 등을 해결하는 것처럼 보였다. 참고로 그 이전 몇 년간 비자기회귀(non-autoregressive) 및 임의 순서(any-order) 자기회귀 접근법에 대한 탐색이 있었지만(특히 기계 번역 분야에서), 아직 확산 관점에서의 시도는 없었다.
2022년: 이산 데이터를 위한 연속 확산 2022년에는 Diffusion-LM을 시작으로 언어 모델링에 연속 확산을 적용하려는 여러 시도가 등장했다. 이 접근법은 범주형 데이터와 가우시안 노이즈 손상 간의 비호환성을 다른 방식으로 해결한다. 즉, 이산 범주들을 연속 임베딩 벡터로 표현하면 가우시안 노이즈 손상을 완벽하게 적용할 수 있다. 그렇게 하면 이미지에서 탁월하게 작동하는 가우시안 확산 메커니즘을 아무 수정 없이 적용할 수 있다. Diffusion-LM은 이 대안적 생성 패러다임의 장점, 특히 제어 가능한 텍스트 생성에서의 강점을 내세웠다. 2022년 마지막 몇 달 사이에 이 접근법의 변형을 사용한 상당수의 논문이 발표되었는데, DiffuSeq, SSD-LM, Difformer, SeqDiffuSeq, GENIE, LD4LG, 그리고 내가 관여한 두 편의 논문 등이 있다.