一種新的高效神經(jīng)架構(gòu)搜索方法，解決了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)變換方法的局限性

利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)代替人類專家來自動(dòng)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)近期成為了一個(gè)熱門研究話題。上海交大和MIT的研究團(tuán)隊(duì)提出一種新的高效神經(jīng)架構(gòu)搜索方法，解決了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)變換方法的局限性，且在十分有限的GPU算力下，達(dá)到了谷歌AutoML搜索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的效果。

最近，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)代替人類專家自動(dòng)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（即神經(jīng)架構(gòu)搜索）成為一個(gè)熱門話題。但是，目前的資源密集型的方法實(shí)際上并不適用于大公司之外的一般研究團(tuán)隊(duì)。

來自上海交大APEX數(shù)據(jù)與知識管理實(shí)驗(yàn)室和MIT韓松老師在今年ICML 2018上發(fā)表的新研究“Path-Level Network Transformation for Efficient Architecture Search”表明，利用現(xiàn)有的成功的人工設(shè)計(jì)的架構(gòu)來設(shè)計(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)容易得多。通過將現(xiàn)有成功的人工設(shè)計(jì)的架構(gòu)與神經(jīng)架構(gòu)搜索方法在設(shè)計(jì)有效的路徑拓?fù)浞矫娴膹?qiáng)大能力相結(jié)合，可以在有限的計(jì)算資源下獲得更好的結(jié)果。

研究人員表示，他們的方法用更少的GPU達(dá)到了谷歌AutoML自動(dòng)搜索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的效果。

對于這一系列工作，上海交通大學(xué)APEX實(shí)驗(yàn)室和約翰霍普克羅夫特中心的張偉楠助理教授表示：“在當(dāng)今大型科技公司憑借超高算力持續(xù)做出AutoML領(lǐng)域的高質(zhì)量工作的大背景下，高校團(tuán)隊(duì)可以將注意力集中在如何在低成本低算力的限制下巧妙設(shè)計(jì)AutoML新方法，這樣的解決方法其實(shí)更加親民，從而帶來更大的影響力和更廣泛的使用場景?！?/p>

麻省理工大學(xué)HAN Lab的韓松助理教授表示，“算力換算法”是當(dāng)今AutoML系列工作的熱點(diǎn)話題。傳統(tǒng)AutoML需要上千塊GPU的大量算力，然而硬件算力是深度學(xué)習(xí)的寶貴資源。本文通過提出路徑級別的網(wǎng)絡(luò)變換、樹形的架構(gòu)搜索空間和樹形的元控制器，可以在同樣性能的情況下將AutoML的硬件算力節(jié)省240倍（48,000 GPU-hours v.s. 200 GPU-hours)。在摩爾定律放緩、而數(shù)據(jù)集卻在不斷變大的時(shí)代，深度學(xué)習(xí)研究者值得關(guān)注算法性能和算力資源的協(xié)同優(yōu)化。

結(jié)論和貢獻(xiàn)

本研究的貢獻(xiàn)包括：

提出路徑級變換（path-level transformation），以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)路徑拓?fù)湫薷模?/p>

提出了樹形結(jié)構(gòu)的RL元控制器來探索樹形結(jié)構(gòu)的架構(gòu)空間；

在計(jì)算資源顯著更少的情況下，在CIFAR-10和ImageNet（移動(dòng)設(shè)置）上獲得了更好的結(jié)果。

從人工設(shè)計(jì)到自動(dòng)架構(gòu)搜索

在應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)往往是我們需要優(yōu)化的一個(gè)非常重要的部分。傳統(tǒng)上，這項(xiàng)工作是由人類專家完成的，但這十分緩慢并且往往是次優(yōu)的。因此，隨著計(jì)算資源的增加，研究人員開始使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具，例如強(qiáng)化學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化（neuro-evolution）來自動(dòng)化架構(gòu)設(shè)計(jì)的過程，這就是“神經(jīng)架構(gòu)搜索”（neural architecture search）。

從頭開始進(jìn)行神經(jīng)架構(gòu)搜索

當(dāng)前的大多數(shù)神經(jīng)架構(gòu)搜索方法都遵循一種類似的模式，即在驗(yàn)證信號（validation signals）的指導(dǎo)下，從零開始探索給定的架構(gòu)空間。

一個(gè)典型的例子（Google Brain在ICLR 2017發(fā)表的“Neural Architecture Search with Reinforcement Learning”）是使用一個(gè)隨機(jī)初始化的自回歸遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Auto-regressive RNN）來生成與特定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對應(yīng)的整個(gè)字符串。并通過策略梯度算法來訓(xùn)練這個(gè)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以最大化預(yù)期驗(yàn)證性能。

谷歌大腦提出的NAS上的Auto-regressive RNN

該模式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

首先，這是一個(gè)靈活的框架（可應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、神經(jīng)優(yōu)化器、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略等）。

其次，這種方法在CIFAR和ImageNet等基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上取得了當(dāng)時(shí)最佳的結(jié)果。

缺點(diǎn)：

首先，這一模式通常依賴于大量的計(jì)算資源來取得好的結(jié)果（例如，NASNet使用了48000 GPU-hours）。

其次，遵循這一模式的許多方法仍然無法擊敗人工設(shè)計(jì)的最佳架構(gòu)，尤其在計(jì)算資源受限的情況下。

基于網(wǎng)絡(luò)變換（ Network Transformation）的神經(jīng)結(jié)構(gòu)搜索

在這種情況下，一個(gè)想法便是：既然我們已經(jīng)有許多成功的人工設(shè)計(jì)的架構(gòu)，現(xiàn)有的神經(jīng)架構(gòu)搜索方法都無法輕易超越它們，那么為什么不利用它們呢?

為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，上交大團(tuán)隊(duì)在AAAI 2018大會(huì)上發(fā)表的工作EAS（“Efficient Architecture Search by Network Transformation”）中提出:可以不從頭開始進(jìn)行神經(jīng)架構(gòu)搜索，而是使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)作為起點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)變換（Network Transformation）的方式來探索架構(gòu)空間。具體的，他們使用了Net2Net操作(一類 function-preserving的網(wǎng)絡(luò)變換操作)來探索架構(gòu)空間。

EAS的Meta-controller

而在之后的ICLR 2018上，來自CMU的研究人員提出了“N2N Learning: Network to Network Compression via Policy Gradient Reinforcement Learning”，即利用網(wǎng)絡(luò)壓縮操作來自動(dòng)化地壓縮一個(gè)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)變換方法的局限性

Net2Net和網(wǎng)絡(luò)壓縮操作的局限性在于他們都是layer-level的操作，例如添加（修剪）過濾器和插入（刪除）層。通過應(yīng)用這些layer-level的操作僅能改變網(wǎng)絡(luò)的深度和寬度，而不能修改網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這意味著在給定一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的起點(diǎn)時(shí)，它們總是會(huì)導(dǎo)致鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

然而，考慮到當(dāng)前最先進(jìn)的人工設(shè)計(jì)的架構(gòu)（例如Inception模型、ResNets和DenseNets等）已經(jīng)超越了簡單的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)布局，并且顯示出精心定制的路徑拓?fù)洌╬ath topology）的好處，因此對于這些基于變換的方法來說，這將是一個(gè)關(guān)鍵的需要解決的問題。

上交大和MIT的研究人員在ICML 2018發(fā)表的“Path-Level Network Transformation for Efficient Architecture Search”的主要目的便是解決這個(gè)問題。

路徑級網(wǎng)絡(luò)變換

研究人員提出將網(wǎng)絡(luò)變換從層級（layer-level）擴(kuò)展到路徑級（path-level）。

解決方案是從一些簡單的觀察開始?？紤]一個(gè)卷積層，如果我們把多分支結(jié)構(gòu)（ multi-branch structure）中的每一個(gè)分支都設(shè)為該層的復(fù)制，那么給定相同的輸入，每個(gè)分支必然會(huì)產(chǎn)生相同的輸出，這些輸出的平均值也等于卷積層的輸出。

卷積層和等價(jià)的multi-branch結(jié)構(gòu)

因此，我們可以構(gòu)造一個(gè)等效的多分支結(jié)構(gòu)（multi-branchstructure），并通過add操作合并卷積層。類似地，為了構(gòu)造一個(gè)通過串聯(lián)合并的等效多分支結(jié)構(gòu)，可以將卷積層沿著輸出通道維度分割為幾個(gè)部分，并將每個(gè)部分分配給相應(yīng)的分支。這樣，它們輸出的串聯(lián)就等于卷積層的輸出。

對于其他類型的層，例如 identity 層和深度可分離卷積層（depth-wise separable convolution layer,），可以類似地進(jìn)行這種等價(jià)的替換。

identity層和等價(jià)的multi-branch結(jié)構(gòu)

更進(jìn)一步，通過將這些等價(jià)替換與Net2Net操作相結(jié)合，就可以任意修改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑拓?fù)洹?/p>

樹形結(jié)構(gòu)的架構(gòu)空間

在路徑級網(wǎng)絡(luò)變換的基礎(chǔ)上，研究人員探索了一個(gè)樹形的結(jié)構(gòu)空間（即多分支結(jié)構(gòu)的一個(gè)簡單的擴(kuò)展）。

形式上，樹形結(jié)構(gòu)單元由節(jié)點(diǎn)和邊組成。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義有一個(gè)分配方案，用于確定如何為每個(gè)分支分配輸入特性映射（feature map）；還有一個(gè)合并方案，用于確定如何合并分支的輸出。節(jié)點(diǎn)通過邊（edge）連接到每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，而邊被定義為一個(gè)單元操作（例如卷積、池化、 identity等）。

給定輸入特性映射x，節(jié)點(diǎn)的輸出將基于其子節(jié)點(diǎn)的輸出遞歸地定義。首先將輸入特性映射分配給每個(gè)分支。然后在每個(gè)分支上，分配的特征映射由相應(yīng)的邊和子節(jié)點(diǎn)處理。最后，合并它們以產(chǎn)生輸出。

樹形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)元控制器（RLMeta-Controller）

為了探索樹形結(jié)構(gòu)空間，研究人員使用了一個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)元控制器。這里的策略網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)編碼器網(wǎng)絡(luò)，用于將輸入架構(gòu)編碼成一個(gè)低維向量，以及各種softmax分類器，用于生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變換操作。

此外，由于輸入架構(gòu)現(xiàn)在具有樹形結(jié)構(gòu)，無法簡單用一個(gè)字符串序列來表示，因此這里使用了樹形結(jié)構(gòu)編碼器網(wǎng)絡(luò)（ tree-structured encoder network）。

樹形結(jié)構(gòu)的編碼器網(wǎng)絡(luò)

具體來說，除了用于在邊上執(zhí)行隱藏狀態(tài)變換的普通LSTM單元之外，還引入了兩個(gè)額外的樹結(jié)構(gòu)LSTM單元，以在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行隱藏狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如上圖所示，使用這3個(gè)LSTM單元，整個(gè)過程以自下而上和自上而下的方式進(jìn)行，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的隱藏狀態(tài)包含架構(gòu)的所有信息，類似于雙向LSTM。

三種不同類型的決策

然后，給定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的隱藏狀態(tài)，做出三種不同類型的決策。第一種類型是確定是否要將一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。合并方案和分支數(shù)量都是預(yù)測的。第二種類型是確定是否插入新節(jié)點(diǎn)。第三種類型是用從一組可能的原始操作中選擇的層來替換 identity 映射。

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

以下是論文中提供的受限的計(jì)算資源下（大約200 GPU-hours）找到的最好的樹形單元（TreeCell-A）：

我們可以將這樣的樹形單元嵌入到已有的人類設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（例如DenseNet，PyramidNet）當(dāng)中，而在CIFAR-10上的結(jié)果如下表所示

與原始的DenseNet和PyramidNet相比，樹形單元顯著提高了參數(shù)效率和測試誤差結(jié)果。與其他從頭開始的神經(jīng)架構(gòu)搜索方法（NASNet），TreeCell-A可以在大約一半?yún)?shù)的情況下實(shí)現(xiàn)更低的測試錯(cuò)誤率（2.30% test error with 14.3M parameters versus 2.40% test error with 27.6M parameters）。更重要的是，其所使用的計(jì)算資源要比NASNet少得多。

當(dāng)遷移到ImageNet（移動(dòng)設(shè)置）時(shí)，與NASNets相比，樹形單元仍然可以獲得稍好的結(jié)果。