曠視科技孫劍團(tuán)隊(duì)首次披露AutoML相關(guān)成果，通過構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的超網(wǎng)絡(luò)來解決訓(xùn)練過程中面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。在在ImageNet上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過了谷歌、Facebook等AutoML技術(shù)的成績(jī)。

曠視首次曝光自家AutoML技術(shù)。

今天，曠視科技首席科學(xué)家孫劍團(tuán)隊(duì)發(fā)布論文Single Path One-Shot Neural Architecture Search with Uniform Sampling，首次披露AutoML中的重要子領(lǐng)域神經(jīng)結(jié)構(gòu)搜索的最新成果——單路徑One-Shot模型。

單路徑One-Shot模型用來解決訓(xùn)練過程中面對(duì)的主要挑戰(zhàn)，其核心思想是構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的超網(wǎng)絡(luò)——單路徑超網(wǎng)絡(luò)（Single Path Supernet），這個(gè)網(wǎng)絡(luò)按照均勻的路徑采樣方法進(jìn)行訓(xùn)練，在ImageNet上的實(shí)驗(yàn)證明，這一方法在精度、內(nèi)存消耗、訓(xùn)練時(shí)間、模型搜索的有效性及靈活性方面結(jié)果最優(yōu)，超過了谷歌、Facebook等公司AutoML技術(shù)的成績(jī)。

設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常耗費(fèi)時(shí)間，并且需要專業(yè)知識(shí)，幾年前谷歌創(chuàng)建了AutoML的方法，通常使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)或進(jìn)化算法來設(shè)計(jì)新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

論文的作者之一、曠視上海研究院負(fù)責(zé)人危夷晨表示，深度學(xué)習(xí)是非常通用的技術(shù)，但在實(shí)際落地時(shí)會(huì)面臨在不同行業(yè)、不同場(chǎng)景、不同計(jì)算設(shè)備上尋找最優(yōu)算法和工程實(shí)現(xiàn)的問題。自動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搜索是用“計(jì)算換智能”的新范式，可以極大地加速我們的產(chǎn)品及解決方案在各行業(yè)的落地。

單路徑One-Shot模型：模型搜索框架的新變體

深度學(xué)習(xí)終結(jié)了手工設(shè)計(jì)特征的時(shí)代，同時(shí)解決了權(quán)重優(yōu)化問題。NAS（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型搜索）則旨在通過另一個(gè)方法——模型搜索（architecture search），終結(jié)人工設(shè)計(jì)架構(gòu)。

早期的NAS方法使用嵌套式優(yōu)化，從搜索空間采樣出模型結(jié)構(gòu)，接著從頭訓(xùn)練其權(quán)重，缺點(diǎn)是對(duì)于大型數(shù)據(jù)集來講計(jì)算量過大。新近的NAS方法則采用權(quán)重共享策略減少計(jì)算量。本文提出的超網(wǎng)絡(luò)則包含所有子結(jié)構(gòu)，只訓(xùn)練一次，所有子結(jié)構(gòu)便可以直接從超網(wǎng)絡(luò)獲得其權(quán)重，無(wú)需從頭訓(xùn)練。即使在大型數(shù)據(jù)集上，計(jì)算也十分高效。

大多數(shù)權(quán)重共享方法使用連續(xù)的搜索空間，將模型結(jié)構(gòu)分布不斷參數(shù)化。這些參數(shù)在超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練期間與網(wǎng)絡(luò)權(quán)重進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。因此可以在優(yōu)化時(shí)進(jìn)行模型搜索，從分布中采樣最優(yōu)的架構(gòu)。其公式化表示優(yōu)雅而理論完備。但是存在兩個(gè)問題：

第一，超網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重深度耦合。目前尚不清楚為什么特定結(jié)構(gòu)的復(fù)用權(quán)重（inherited weights）依然有效。

第二，聯(lián)合優(yōu)化導(dǎo)致了模型參數(shù)和超網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的進(jìn)一步耦合。梯度方法的貪婪天性不可避免地在結(jié)構(gòu)分布和超網(wǎng)絡(luò)權(quán)重中引入偏差。這很容易誤導(dǎo)模型搜索。精細(xì)地微調(diào)超參數(shù)和優(yōu)化過程被用于先前方法之中。

One-shot（一步法）是一種新范式。它定義了超網(wǎng)絡(luò)，并以相似的方式做權(quán)重復(fù)用。但是并沒有將模型結(jié)構(gòu)分布參數(shù)化。模型搜索從超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中解耦，并且解決步驟是獨(dú)立的。因此，One-shot具有序列性。它結(jié)合了上述嵌套式和聯(lián)合式優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)，因此靈活而高效。

盡管第二個(gè)問題已解決，現(xiàn)有One-shot并未很好地解決第一個(gè)問題。超網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重依然耦合。優(yōu)化依然復(fù)雜，并包含敏感的超參數(shù)，導(dǎo)致在大型數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)欠佳。

曠視提出方法的動(dòng)機(jī)旨在吸收One-shot的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)。One-shot成功的關(guān)鍵是使用復(fù)用權(quán)重的模型的精度可以用來預(yù)測(cè)從頭訓(xùn)練模型的精度。因此，曠視研究院提出，超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練應(yīng)是隨機(jī)的。這樣所有子結(jié)構(gòu)的權(quán)重能夠被同時(shí)且均勻地優(yōu)化。

為減少超網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重耦合，曠視研究院提出一個(gè)單路徑超網(wǎng)絡(luò)，在每次迭代訓(xùn)練中只有單路徑結(jié)構(gòu)被激活。訓(xùn)練中不需要任何超參數(shù)來指導(dǎo)子結(jié)構(gòu)的選擇，采用均勻采樣的方式，平等對(duì)待所有子結(jié)構(gòu)。

本文方法簡(jiǎn)單而靈活，超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中沒有超參數(shù)。其簡(jiǎn)易性允許設(shè)計(jì)豐富的搜索空間，包括新設(shè)計(jì)通道單元和位寬單元。模型搜索過程十分高效，因?yàn)橹恍枰诔W(wǎng)絡(luò)的權(quán)重進(jìn)行前向計(jì)算。進(jìn)化算法則用來輕松支持多種約束。

綜合性消融實(shí)驗(yàn)及在大型數(shù)據(jù)集（ImageNet）上的實(shí)驗(yàn)證明了這一方法在精度、內(nèi)存消耗、訓(xùn)練時(shí)間、模型搜索的有效性及靈活性方面都表現(xiàn)良好，達(dá)到了當(dāng)前最優(yōu)的結(jié)果。

方法詳解

如上所述，耦合式模型搜索和權(quán)重優(yōu)化是存在挑戰(zhàn)和問題的。通過回顧發(fā)現(xiàn)，早期使用嵌套優(yōu)化的 NAS 方法在于解決公式 (1) 和 (2) 的優(yōu)化問題，這不禁引起思考，問題解耦和權(quán)重共享的優(yōu)點(diǎn)是否可以兼得？

這一考慮誕生了所謂的 One-shot 。這些方法依然只訓(xùn)練一次超網(wǎng)絡(luò)，并允許各結(jié)構(gòu)共享其中的權(quán)重。

但是，超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及模型搜索作為先后次序的兩個(gè)步驟是解耦的。請(qǐng)注意，這不同于嵌套優(yōu)化或聯(lián)合優(yōu)化。

首先，超網(wǎng)絡(luò)權(quán)重被優(yōu)化為：

相比公式 (4)

公式 (5) 已經(jīng)不存在搜索空間的連續(xù)參數(shù)化，只有網(wǎng)絡(luò)權(quán)重被優(yōu)化。

其次，搜索部分被表示為：

公式 (6) 與公式 (1) 、 (2) 的最大區(qū)別是其權(quán)重是預(yù)先初始化的。評(píng)估僅需要推理。沒有微調(diào)或者再訓(xùn)練。因此搜索非常有效。

通過借助進(jìn)化算法，搜索同樣非常靈活。像等式 (3)

對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行的約束可以精確地滿足。并且一旦訓(xùn)練好一個(gè)超網(wǎng)絡(luò)，可在同一超網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基于不同約束（比如 100ms 和 200ms 延遲）重復(fù)搜索。這些特性是先前方法所缺失的，將使 One-Shot NAS 方法對(duì)實(shí)際任務(wù)更具吸引力。

但依然存在一個(gè)問題。在等式 (5) 中，超網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的圖節(jié)點(diǎn)權(quán)重是耦合的，復(fù)用權(quán)重是否適用于任意子結(jié)構(gòu)尚不清楚。

單路徑超網(wǎng)絡(luò)和均勻采樣

按照基本原理重新出發(fā)，會(huì)使 One-Shot 范式更有效。在等式 (5) 中，模型搜索成功的關(guān)鍵在于，在驗(yàn)證集中，使用復(fù)用權(quán)重（沒有額外的微調(diào)）的任意子結(jié)構(gòu)的精度是高度可信的。正如等式 (1) 是理想情況，需要權(quán)重近似最優(yōu)權(quán)重。近似的效果和訓(xùn)練損失函數(shù)被最小化的程度成正比。這推導(dǎo)出一個(gè)原則：超網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)與搜索空間中所有子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化同時(shí)進(jìn)行。這可表示為：

請(qǐng)注意，等式 (7) 是等式 (5) 的實(shí)現(xiàn)。在優(yōu)化的每一步中，子結(jié)構(gòu)是隨機(jī)采樣的，只有對(duì)應(yīng)的權(quán)重被激活和更新。這不僅節(jié)省內(nèi)存空間，而且高效。由此，超網(wǎng)絡(luò)本身不再是一個(gè)有效的網(wǎng)絡(luò)，而變成一個(gè)隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。

為減少節(jié)點(diǎn)權(quán)重之間的協(xié)同適應(yīng)，曠視研究院提出最大化簡(jiǎn)化搜索空間。它只包含單一路徑架構(gòu)，如圖 1 所示。

圖 1：?jiǎn)我宦窂匠W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在每次訓(xùn)練時(shí)僅保留一個(gè)。不存在任何調(diào)優(yōu)。訓(xùn)練在本文實(shí)驗(yàn)中收斂良好。

先驗(yàn)分布很重要。曠視研究員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，均勻采樣已經(jīng)足夠好。這并不讓人驚訝。這是因?yàn)閷?shí)際任務(wù)常常期望有多個(gè)模型結(jié)構(gòu)，以滿足不同的約束。圖 2 表明，兩個(gè)采樣方法皆工作良好，均勻約束采樣方法表現(xiàn)稍好，本文默認(rèn)使用它。

圖 2：不同采樣策略的單路徑超網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化模型搜索