CVPR 2019： 4 GPU hours 搜索到一个鲁棒的网络结构

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本文转载自知乎专栏深度学习前沿，已获作者Slumbers授权转载。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/71907399

NAS最近也很火，正好看到了这篇论文，解读一下，这篇论文是基于DAG( directed acyclic graph)的，DAG包含了上亿的sub-graphs，为了防止全部遍历这些模型，这篇论文设计了一种全新的采样器，这种采样器叫做Gradient-based search suing differential Architecture Sampler(GDAS)，该采样器可以自行学习和优化，在这个的基础上，在CIFAR-10上通过4 GPU hours就能找到一个最优的网络结构。

目前主流的NAS一般是基于进化算法(EA)和强化学习（RL）来做的。EA通过权衡validation accuracy来决定是否需要移除一个模型，RL则是validation accuracy作为奖励来优化模型生成。作者认为这两种方法都很消耗计算资源。作者这篇论文中设计的GDAS方法可以在一个单v100 GPU上，用四小时搜索到一个优秀模型。

GDAS

这个采用了搜索robust neural cell来替代搜索整个网络。如下图，不同的操作（操作用箭头表示）会计算出不同的中间结果（中间结果用cycle表示），前面的中间结果会加起来闯到后面。

在优化速度上，传统的DAG存在一些问题：基于RL和EA的方法，需要获得反馈都需要很长一段时间。而这篇论文提出的GDAS方法能够利用梯度下降去做优化,具体怎么梯的下面会说到。此外，使用GDAS的方法可以sample出sub-graph，这意味着计算量要比DAG的方法小很多。

绝大多数的NAS方法可以归为两类：Macro search和micro search

Macro search

顾名思义，实际上算法的目的是想要发现一个完整的网络结构。因此多会采用强化学习的方式。现有的方法很多都是使用Q-learning的方法来学习的。那么会存在的问题是，需要搜索的网络数量会呈指数级增长。最后导致的结果就是网络会更浅。

Micro Search

这种不是搜索整个神经网络，而是搜索neural cells的方式。找到指定的neural cells后，再去堆叠。这种设计方式虽然能够设计更深的网络，但是依旧要消耗很长时间，比如100GPU days，超长。这篇文章就是在消耗上面做优化。

算法原理

DAG的搜索空间

前面也说了DAG是通过搜索所谓的neural cell而不是搜索整个网络。每个cell由多个节点和节点间的激活函数构成。节点我们用来表示，节点的计算如下图。每个节点有其余两个节点（下面公式中的节点i和节点j)来生成，而中间会从一个函数集合中去sample函数出来，这个F数据集的组成是1)恒等映射 2)归零 3)3x3 depthwise分离卷积 4)3x3 dilated depthwise 分离卷积 5)5x5 depthwise分离卷积 6)5x5 dilated depthwise 分离卷积。7）3x3平均池化 8) 3 x 3 最大池化。

那么生成节点I后，再去生成对应的cell。我们将cell的节点数记为B，以B=4为例，该cell实际上会包括7个节点，是前面两层的cell的输出（实际上也就是上面公式中的k和j)，而则是我们(1)中计算出来的结果。也就是该cell的output tensor实际上是四个节点的output的联结。

将cell组装为网络

刚刚上面的这种叫做normal cell,作者还设计了一个reduction cell, 用于下采样。这个reduction cell就是手动设计的了，没有像normal cell那样复杂。normal cell 的步长为1，reduction cell步长为2，最后的网络实际上就是由这些cell组装起来的。如下图：

搜索模型参数

搭建的工作如上面所示，好像也还好，就像搭积木，这篇论文我觉得创新的地方在于它的搜索方法，特别是通过梯度下降的方式来更新参数，很棒。具体的搜索参数环节，它是这么做的：

首先我们的优化目标和手工设计的网络别无二致，都是最大释然估计：

而上式中的Pr，实际上可写成：

这个实际上是node i和node j的函数分布，k则是F的基数。而Node可以表示为：

是从中sample出来的，而

这个实际上是node i和node j的函数分布，k则是F的基数。而Node可以表示为：

其中是从离散分布中间sample出来的函数。这里问题来了，如果直接去优化Pr，这里由于I是来自于一个离散分布，没法对离散分布使用梯度下降方法。这里，作者使用了Gumbel-Max trick来解决离散分布中采样不可微的问题，具体可以看这个问题下的回答

如何理解Gumbel-Max trick？，TL;DR: Gumbel Trick 是一种从离散分布取样的方法，它的形式可以允许我们定义一种可微分的，离散分布的近似取样，这种取样方式不像「干脆以各类概率值的概率向量替代取样」这么粗糙，也不像直接取样一样不可导（因此没办法应对可能的 bp ）。

于是这里将这个离散分布不可微的问题做了转移，同时对应的优化目标变为：

这里有个的参数，可以控制的相似程度。注意在前向传播中我们使用的是等式(5)，而在反向传播中，使用的是等式(7)。结合以上内容，我们模型的loss是：

我们将最后学习到的网络结构称为A，每一个节点由前面T个节点连接而来，在CNN中，我们把T设为2，在RNN中，T设为1

在参数上，作者使用了SGD，学习率从0.025逐渐降到1e-3，使用的是cosine schedule。具体的参数和function F 设计上，可以去看看原论文。

总的来说，我觉得这篇论文最大的创新点是使用Gumbel-Max trick来使得搜索过程可微分，当然它中间也使用了一些手动设计的模块（如reduction cell），所以速度会比其余的NAS更快，之前我也没有接触过NAS，看完这篇论文后对现在的NAS常用的方法以及未来NAS发展的趋势还是有了更深的理解，推荐看看原文。

点击左下角阅读原文，即可查看原论文。

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