谷歌推出深度學(xué)習(xí)調(diào)優(yōu)手冊(cè)，不到一天狂攬1200星，Hinton轉(zhuǎn)發(fā)

Pine 2023-01-20 12:47:47 來源：量子位

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各位煉丹er們，調(diào)參是你們最頭疼的環(huán)節(jié)嗎？

現(xiàn)在，一份上線不到一天就狂攬1200+星的《深度學(xué)習(xí)調(diào)優(yōu)手冊(cè)》來了。

△數(shù)字還在飛速上漲，估計(jì)馬上就要登熱榜了

這可能是市面上首個(gè)如此全面的煉丹寶典，由5位谷歌工程師大佬合作總結(jié)。

這些大佬們都已在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域“踩坑”多年、工作成果應(yīng)用從語音識(shí)別到天文學(xué)都有涉獵。

為了這份手冊(cè)，他們總結(jié)了自己在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)、帶新工程師、以及和同事交流時(shí)get到的各種經(jīng)驗(yàn)和技巧。

連“深度學(xué)習(xí)之父”Geoffrey Hinton都來盛贊：

來看看具體都有些啥。

谷歌煉丹寶典，聚焦超參數(shù)調(diào)整

本手冊(cè)適用范圍為：對(duì)系統(tǒng)地最大化深度學(xué)習(xí)模型性能感興趣的工程師和研究人員，包括個(gè)人和團(tuán)隊(duì)。

默認(rèn)翻開這本手冊(cè)的都掌握了機(jī)器學(xué)習(xí)基本知識(shí)和深度學(xué)習(xí)概念。

其中內(nèi)容主要聚焦超參數(shù)調(diào)整，因?yàn)檫@是作者們?cè)诠ぷ髦泻臅r(shí)最多、收獲也最多的環(huán)節(jié)。

具體一共分為四大部分：

開始新項(xiàng)目

第一部分從訓(xùn)練一個(gè)新的模型開始，教大家如何選擇：

（1）模型架構(gòu)（2）優(yōu)化器（3）batch size（4）初始配置。

比如，在選擇優(yōu)化器時(shí)，由于所有類型的機(jī)器學(xué)習(xí)問題和模型架構(gòu)中都不存在最好的那一個(gè)，那么我們就堅(jiān)持選擇時(shí)下最流行、最成熟的那一個(gè)（尤其對(duì)于新項(xiàng)目來說）。

這里作者們推薦（但不限于）：SGDM和更通用的Adam、NAdam，特別提醒：Adam有4個(gè)可調(diào)超參數(shù) ，它們都很重要。

而在選擇batch size時(shí)，需要注意它只是決定訓(xùn)練速度，不應(yīng)該直接用于調(diào)整驗(yàn)證集的性能。

因?yàn)橛醒芯勘砻?，只要所有超參?shù)都經(jīng)過良好調(diào)整（尤其是學(xué)習(xí)率和正則化超參數(shù)）并且訓(xùn)練步數(shù)足夠，任何batch size值都應(yīng)該可以獲得相同的性能。

通常來說，理想的batch size是可用硬件支持的最大值。

具體如何選擇，手冊(cè)在這里作出了非常詳細(xì)的解釋：

初始配置方面，指導(dǎo)原則是找到一個(gè)簡單、相對(duì)快速、資源消耗相對(duì)較低的配置，好獲得一個(gè)“合理”的結(jié)果。

所謂簡單，就是切記不要在開始時(shí)就添加一些花里胡哨的東西，現(xiàn)階段沒用不說還浪費(fèi)時(shí)間。

比如在找到一個(gè)合適的學(xué)習(xí)率之前，就不要想著各種花式的decay schedule。

科學(xué)提高模型性能

本部分的經(jīng)驗(yàn)建立以下兩點(diǎn)前提之上：

• 我們已經(jīng)有一個(gè)完全運(yùn)行的訓(xùn)練pipeline以及能夠獲得合理結(jié)果的配置；
• 有足夠的計(jì)算資源用于進(jìn)行有意義的調(diào)整實(shí)驗(yàn)、用于并行運(yùn)行多個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目。

具體一共分為7個(gè)小部分：

第1部分標(biāo)題為“逐步調(diào)整策略”，即從一個(gè)簡單的配置開始，逐步進(jìn)行改進(jìn)，需要重復(fù)以下四個(gè)步驟：

• 為下一輪實(shí)驗(yàn)確定范圍適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)；
• 設(shè)計(jì)并運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，朝著目標(biāo)取得進(jìn)展；
• 分析結(jié)果；
• 考慮是否推出新的最佳配置。

后續(xù)部分就是圍繞上面四個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的展開，超參數(shù)如何選擇和修改也在本節(jié)作為重點(diǎn)出現(xiàn)。

比如不管我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是什么，我們都需要將超參數(shù)分為三類：科學(xué)超參數(shù)、nuisance超參數(shù)和固定超參數(shù)。

如果我們的目標(biāo)是“確定具有更多隱藏層（hidden layer）的模型是否會(huì)減少驗(yàn)證錯(cuò)誤”，那么隱藏層數(shù)就是一個(gè)科學(xué)超參數(shù)，這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)時(shí)需要首先確定的。

需要修改的主要是第二類。

當(dāng)我們進(jìn)行到第三步，也就是分析結(jié)果時(shí)，需要額外問自己以下幾個(gè)問題：

搜索空間是否足夠大？是否從里面采樣了足夠多的點(diǎn)？該模型是否存在優(yōu)化問題？我們可以從最佳試驗(yàn)的訓(xùn)練曲線中學(xué)到什么？

具體怎么判斷和解決這些問題，手冊(cè)也有非常詳細(xì)的解釋。

最后，當(dāng)我們確定好了應(yīng)該調(diào)整哪些超參數(shù)，就可以善用貝葉斯優(yōu)化工具了。

不同工作負(fù)載如何設(shè)置訓(xùn)練步數(shù)

在這部分，手冊(cè)根據(jù)工作負(fù)載的不同分了兩部分來展開，分別為：

• 工作負(fù)載為計(jì)算密集型（CPU密集型）時(shí)，訓(xùn)練步數(shù)如何設(shè)置？
• 工作負(fù)載為非計(jì)算密集型（IO密集型）時(shí)，訓(xùn)練步數(shù)如何設(shè)置？

通俗來講，計(jì)算密集型與非計(jì)算密集型就是受不受計(jì)算量的限制。而我們要解決的問題，就是無論在哪種情況下，如何讓模型都能達(dá)到最佳效果。

也不多說廢話，直接舉個(gè)栗子來看寶典中是如何講的？

當(dāng)工作負(fù)載受計(jì)算限制時(shí)，也就是說計(jì)算資源成為主要的限制因素，首先面臨的問題就是：

如果訓(xùn)練損失在無限期的改善，有沒有必要這樣一直訓(xùn)練下去？

寶典給出的答案是：沒有！?多輪調(diào)整最明智，1～3輪最實(shí)用。

并且還附有兩輪調(diào)整的具體建議：

• 第1輪：較短的運(yùn)行時(shí)間以找到好的模型和優(yōu)化器超參數(shù)
• 第2輪：不要在良好的超參數(shù)點(diǎn)上長時(shí)間運(yùn)行以獲得最終模型
  （詳見手冊(cè)）

關(guān)于當(dāng)工作負(fù)載不受計(jì)算限制時(shí)，調(diào)整的部分主要圍繞max_train_steps，具體這里就不再贅述。

其他補(bǔ)充

到這里，寶典差不多就接近尾聲了，谷歌研究員們還貼心地給出了一份pipeline訓(xùn)練的補(bǔ)充指南，內(nèi)容包括：

• 優(yōu)化輸入pipeline
• 評(píng)估模型性能
• 保存檢查點(diǎn)并回顧性地選擇最佳檢查點(diǎn)
• 建立實(shí)驗(yàn)跟蹤
• Batch規(guī)范化實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
• multi-host pipelines的注意事項(xiàng)

在“優(yōu)化輸入pipeline”部分，寶典列出了導(dǎo)致輸入pipeline的一些常見原因，并給出了一些小tips。

關(guān)于“評(píng)估模型性能”，也給出了詳細(xì)的操作步驟。

……

寶典全文的鏈接也已附在文末，感興趣的朋友可以扔進(jìn)收藏夾了。

mem it～

關(guān)于作者

一共4位谷歌在職大佬，1位哈佛的在讀博士生（以前也在谷歌工作了5年多）。

Varun Godbole，目前是谷歌AI的一名軟件工程師，主要經(jīng)驗(yàn)集中在建模和構(gòu)建處理大型數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)設(shè)施方面。

之前，他的研究領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)視覺和醫(yī)學(xué)圖像的交叉點(diǎn)，合著的論文“International evaluation of an AI system for breast cancer screening”曾登上Nature。

George E. Dahl，是谷歌大腦團(tuán)隊(duì)的研究科學(xué)家，他的研究集中在高度靈活的模型上，并且他還對(duì)語言、感知數(shù)據(jù)以及化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用感興趣。

George在多倫多大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，主要解決語音識(shí)別、計(jì)算化學(xué)和自然語言文本處理等問題的深度學(xué)習(xí)方法，其中包括一些首次成功的深度聲學(xué)模型。

Justin Gilmer，谷歌大腦的研究科學(xué)家，他在Google Scholar上引用已經(jīng)破萬，主要研究方向?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)、組合型、隨機(jī)圖論。

量子位前不久的《幾十年數(shù)學(xué)難題被谷歌研究員意外突破！曾因不想搞數(shù)學(xué)自學(xué)編程，當(dāng)年差點(diǎn)被導(dǎo)師趕出門》講的正是這位科學(xué)家。

Christopher Shallue，目前正在攻讀哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)博士學(xué)位，在此之前，他曾在谷歌工作了5年10個(gè)月。

在谷歌工作的那段時(shí)間，Shallue有3年多的時(shí)間在谷歌大腦擔(dān)任機(jī)器學(xué)習(xí)研究工程師，研究的內(nèi)容包括：

• 開發(fā)識(shí)別系外行星的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)（包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首次發(fā)現(xiàn)行星）
• 加快超級(jí)計(jì)算機(jī)規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)培訓(xùn)
• 實(shí)證研究機(jī)器學(xué)習(xí)中的優(yōu)化算法和超參數(shù)調(diào)整
• TensorFlow 中的開源參考模型實(shí)現(xiàn)（圖像字幕、句子嵌入、系外行星探測(cè)）

Zachary Nado，谷歌大腦的研究工程師，本科就讀期間，曾先后在谷歌和SpaceX實(shí)習(xí)，研究領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)挖掘與建模、機(jī)器智能、NLP等。

寶典傳送門：
https://github.com/google-research/tuning_playbook