机器学习:9.3 NAS algorithms

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Neural Architecture Search (NAS)

  • A neural network has different types of hyperparameters:

    • Topological structure: resnet-ish, mobilenet-ish, #layers

    • Individual layers: kernel_size, #channels in convolutional layer,

      hidden_outputs in dense/recurrent layers

  • NAS automates the design of neural network

    • How to specify the search space of NN

    • How to explore the search space

    • Performance estimation

NAS with Reinforcement Learning

  • Zoph & Le 2017

    • A RL-based controller (REINFORCE) for proposing architecture.

    • RNN controller outputs a sequence of tokens to config the model architecture.

    • Reward is the accuracy of a sampled model at convergence

  • Naive approach is expensive and sample in�efficient (~2000 GPU days). To speed up NAS:

    • Estimate performance

    • Parameter sharing (e.g. EAS, ENAS)

The One-shot Approach

  • Combines the learning of architecture and model params

  • Construct and train a single model presents a wide variety of
    architectures

  • Evaluate candidate architectures

    • Only care about the candidate ranking

    • Use a proxy metric: the accuracy after a few epochs

  • Re-train the most promising candidate from scratch

Differentiable Architecture Search

  • Relax the categorical choice to a softmax over possible operations:
  • Multiple candidates for each layer
  • Output of -th candidate at layer l is o_i^l
  • Learn mixing weights a^l. The input for i+1-the layer is \sum_i \alpha_i^lo_i^l with \alpha^l = softmax(a^l)
  • Choose candidate \arg \max_i\alpha_i
  • Jointly learn a^l and network parameters
  • A more sophisticated version (DARTS) achieves SOTA and reduces the search time to ~3 GPU days

Scaling CNNs

  • A CNN can be scaled by 3 ways:

    • Deeper: more layers

    • Wider: more output channels

    • Larger inputs: increase input image resolutions

  • EfficientNet proposes a compound scaling

    • Scale depth by \alpha^{\phi}, width by \beta^{\phi}, resolution by \gamma^{\phi}

    • \alpha \beta^2 \gamma^2 \approx 2 so increase FLOP by 2x if \phi=1

    • Tune \alpha,\beta,\gamma,\phi

Research directions

  • Explainability of NAS result

  • Search architecture to fit into edge devices

    • Edge devices are more and more powerful, data privacy concerns

    • But they are very diverse (CPU/GPU/DSP, 100x performance difference) and have power constraints

    • Minimize both model loss and hardware latency

  • E.g. minimize loss × \log(latency)^β

  • To what extend can we automates the entire ML workflow?

Summary

  • NAS searches a NN architecture for a customizable goal

    • Maximize accuracy or meet latency constraints on particular hardware
  • NAS is practical to use now:

    • Compound depth, width, resolution scaling

    • Differentiable one-hot neural network

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