本科生又一次刷新了AI的新成績，開發(fā)了一種名為AdaBound的算法

由北大、浙大兩位本科生為主開發(fā)的AdaBound算法，速度與Adam不相上下，性能媲美SGD，近期被ICLR 2019收錄，網(wǎng)友驚呼太酷太強(qiáng)大。昨天，論文的第一作者、北大大四學(xué)生駱梁宸向新智元進(jìn)行了詳細(xì)解讀。

本科生又一次刷新了AI的新成績。

最近，來自北大和浙大的兩位大四學(xué)生，開發(fā)了一種名為AdaBound的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的訓(xùn)練速度和更好的性能，速度與Adam不相上下，性能媲美SGD。

AdaBound算法相關(guān)論文Adaptive Gradient Methods with Dynamic Bound of Learning Rate已經(jīng)被AI頂會 ICLR 2019收錄。

值得一提的是，論文一作第一次在GitHub上公布AdaBound代碼之后，就獲得了300多贊，評論中無數(shù)人感嘆：實(shí)在是太酷了！

昨天，論文一作、北京大學(xué)的駱梁宸向新智元解讀了AdaBound算法。

以下是他的分享：

AdaBound算法：像Adam一樣快，又像SGD一樣好的優(yōu)化器

以隨機(jī)梯度下降 (SGD) 為代表的一階優(yōu)化算法自上世紀(jì)50年代被提出以來，在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域被廣泛使用，如今也是我們訓(xùn)練模型時(shí)最為常用的工具。

但是，由于SGD在更新參數(shù)時(shí)對各個(gè)維度上梯度的放縮是一致的，這有可能導(dǎo)致訓(xùn)練速度緩慢，并且在訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布極不均很時(shí)訓(xùn)練效果很差。為了解決這一問題，近些年來涌現(xiàn)了許多自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法，包括 Adam、AdaGrad、RMSprop 等。其中 Adam 由于其快速的收斂速度，成為了如今最流行的 Optimizer 之一。

然而，在許多最新的State of The Art 中，研究者們沒有使用新穎流行的自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法，而是仍然使用“過時(shí)的” SGD 或是其 +momentum 和 +nesterov 變種，這是為什么呢？事實(shí)上，Wilson 等人在其NeurIPS 2017的研究中指出，自適應(yīng)方法雖然可以在訓(xùn)練早期展現(xiàn)出快速的收斂速度，但其在測試集上的表現(xiàn)卻會很快陷入停滯，并最終被 SGD 超過。

ICLR 2018的最佳論文中，作者提出了名為 AMSGrad 的新方法試圖更好的避免這一問題，然而他們只提供了理論上的收斂性證明，而沒有在實(shí)際數(shù)據(jù)的測試集上進(jìn)行試驗(yàn)。而后續(xù)的研究者在一些經(jīng)典 benchmarks 比較發(fā)現(xiàn)，AMSGrad 在未知數(shù)據(jù)上的最終效果仍然和 SGD 有可觀的差距。

我們每個(gè)人都希望在訓(xùn)練模型時(shí)可以收斂的又快又好，但似乎目前來看我們很難同時(shí)做到這兩點(diǎn)，或者至少我們需要對現(xiàn)有優(yōu)化算法的超參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整。機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)社區(qū)如今非常需要一個(gè)像 Adam 一樣快，又像 SGD 一樣好的優(yōu)化器。

關(guān)鍵點(diǎn)：限制極大和極小的實(shí)際學(xué)習(xí)率

最早的對各類流行的自適應(yīng)學(xué)習(xí)器和 SGD 進(jìn)行系統(tǒng)的比較分析的工作來自上文提及的 Wilson 等，在他們的文章中，首次用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和樣例問題指出了自適應(yīng)方法的性能問題。Wilson 等同時(shí)猜測，自適應(yīng)方法較差的泛化性能有可能是來源于訓(xùn)練后期不穩(wěn)定的極端學(xué)習(xí)率。然而，他們并沒有給出更多關(guān)于這一猜測的原因，包括理論分析或?qū)嶒?yàn)。

沿著這一思路，在Adaptive Gradient Methods with Dynamic Bound of Learning Rate 這篇文章中，作者首先進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)來作參考：他們在 ResNet-34 中隨機(jī)選取了 9 個(gè)卷積核和 1 個(gè)全連接層偏置向量，并從中再各隨機(jī)取樣一個(gè)維度的變量，統(tǒng)計(jì)其在 CIFAR-10 上訓(xùn)練末期的學(xué)習(xí)率。

采樣參數(shù)的學(xué)習(xí)率。每個(gè)單元格包含一個(gè)通過對學(xué)習(xí)率進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算得到的值。顏色越淺的單元格代表越小的學(xué)習(xí)率。

我們可以看到，當(dāng)模型接近收斂時(shí)，學(xué)習(xí)率中有大量的極端值（包含許多小于 0.01 和大于 1000 的情況）。這一現(xiàn)象表明在實(shí)際訓(xùn)練中，極端學(xué)習(xí)率是實(shí)際存在的。

而還有兩個(gè)關(guān)鍵問題沒有明確：

(1) 過小的學(xué)習(xí)率是否真的對模型收斂產(chǎn)生不良影響？

(2) 實(shí)際的學(xué)習(xí)率很大程度上取決于初始學(xué)習(xí)率的設(shè)定，我們可不可以通過設(shè)定一個(gè)較大的學(xué)習(xí)率還避免這一影響呢？

于是，作者繼續(xù)給出了理論證明：

這一結(jié)果表明了極端學(xué)習(xí)率的潛在負(fù)面影響，在有效解決這一問題之前，我們很可能無法使用自適應(yīng)學(xué)習(xí)器得到足夠好的最終模型；需要設(shè)法對訓(xùn)練末期 Adam 的學(xué)習(xí)率做出限制。

AdaBound：對學(xué)習(xí)率進(jìn)行動態(tài)裁剪

為了解決這一問題，我們希望能有一種優(yōu)化器可以結(jié)合 Adam 和 SGD 的優(yōu)勢，即分別是訓(xùn)練早期快速的收斂速度和訓(xùn)練末期好的最終性能?；蛘咧庇^的形容，我們希望它在訓(xùn)練早期像 Adam，而在訓(xùn)練末期更像 SGD。

基于這一思路，作者通過對學(xué)習(xí)率進(jìn)行動態(tài)裁剪，提出了 Adam 和 AMSGrad 的變種，AdaBound 和 AMSBound。這一方法受到在工程實(shí)現(xiàn)中非常常用的梯度裁剪技術(shù)的啟發(fā)。只不過這時(shí)裁剪發(fā)生在學(xué)習(xí)率而非梯度上?？紤]如下的裁剪操作：

其中 Clip 可以將實(shí)際學(xué)習(xí)率限制在下界和上界?之間。很容易發(fā)現(xiàn)，SGD 和 Adam 分別是應(yīng)用梯度裁剪的特殊情況：學(xué)習(xí)率為?的 SGD 可視為；Adam 可視為,?。其他取值則介于兩者之間。那么，如果用兩個(gè)關(guān)于 t 的函數(shù)來取代固定值作為新的上下界，其中從 0 逐漸收斂至，從也逐漸收斂至

在這一設(shè)置下，在訓(xùn)練早期由于上下界對學(xué)習(xí)率的影響很小，算法更加接近于 Adam；而隨著時(shí)間增長裁減區(qū)間越來越收緊，模型的學(xué)習(xí)率逐漸趨于穩(wěn)定，在末期更加貼近于 SGD。AMSBound 可以對 AMSGrad 采用類似的裁剪得到。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作者將 AdaBound/AMSBound 和其他經(jīng)典的學(xué)習(xí)器在一些 benchmarks 上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括：SGD (或 momentum 變種)、AdaGrad、Adam、AMSGrad。以下是作者在論文中提供的學(xué)習(xí)曲線。

可以看到，在幾項(xiàng) CV 和 NLP 的 benchmark 任務(wù)中，AdaBound/AMSBound 都在訓(xùn)練前期可以快速且平滑收斂的情況下，同時(shí)在末期得到了優(yōu)秀的最終性能，可以取得與 SGD 類似甚至更好的結(jié)果。

額外驚喜：對超參數(shù)更低的敏感性

AdaBound還帶給我們一個(gè)額外驚喜：它對超參數(shù)相對更不敏感，尤其是和 SGD(M) 比較。這一結(jié)果是非常意外也非常讓人驚喜的，因?yàn)檫@意味著AdaBound 有更高的魯棒性。通過使用這一新型優(yōu)化器，我們可能大大節(jié)省花在調(diào)整超參數(shù)上的時(shí)間。在常見的情形下，使用其默認(rèn)參數(shù)即可取得相對優(yōu)秀和穩(wěn)定的最終結(jié)果。

當(dāng)然，作者也同樣指出，盡管 AdaBound 相對 SGD 更加穩(wěn)定，但這并不意味著我們可以一勞永逸再也不需要調(diào)整超參了，機(jī)器學(xué)習(xí)沒有銀彈。一個(gè)模型的最終結(jié)果取決于方方面面的因素，我們?nèi)匀恍枰Y(jié)合具體問題和數(shù)據(jù)特征具體分析，對 AdaBound 做出合適的調(diào)整。而 AdaBound 最大的優(yōu)勢在于，你很可能用在這上邊的時(shí)間會比以前少很多！

代碼已在GitHub開源

AdaBound 的 PyTorch 實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在 GitHub 上開源。作者同樣提供了可以簡單只用 pip 安裝的版本，大家可以像使用其他任何一種 PyTorch optimizer 一樣使用 AdaBound。

此外，作者還提供了一個(gè)非常方便的可視化 Jupyter notebook 并提供了相應(yīng)的訓(xùn)練代碼，方便感興趣的同學(xué)復(fù)現(xiàn)和直觀比較新優(yōu)化器的結(jié)果。

論文地址：

https://openreview.net/pdf?id=Bkg3g2R9FX

GitHub地址：

https://github.com/Luolc/AdaBound

以上就是作者的解讀。

這個(gè)工作也在Reddit機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)引起熱議，不少人表示非常cool，也有人提出建議和疑問：有沒有TensorFlow實(shí)現(xiàn)？能不能在更大的數(shù)據(jù)集工作？在GAN上的結(jié)果如何等等。

作者后來在Reddit帖子更新中表示：

正如許多人以及評審人員所建議的那樣，在更多、更大的數(shù)據(jù)集上，使用更多模型測試AdaBound會更好，但很不幸，我只有有限的計(jì)算資源。我?guī)缀醪豢赡茉贗mageNet這樣的大型基準(zhǔn)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果誰能在更大的基準(zhǔn)上測試AdaBound，并告訴我它的缺點(diǎn)或bug，那就太好了！這對于改進(jìn)AdaBound和進(jìn)一步的工作很有幫助。

我相信在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域沒有什么靈丹妙藥。這并不意味著使用AdaBound你就不用調(diào)參了。模型的性能取決于很多東西，包括任務(wù)、模型結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)分布等等。你仍然需要根據(jù)具體情況決定使用哪些超參數(shù)，但是在這上面花的時(shí)間可以比以前少很多！

這是我第一次研究優(yōu)化方法。由于這是一個(gè)由本科生、并且對這個(gè)領(lǐng)域來說完全是新人的團(tuán)隊(duì)做的項(xiàng)目，我相信AdaBound非常需要進(jìn)一步的改進(jìn)。我會盡我最大的努力把它做好。再次感謝大家的建設(shè)性意見！這對我有很大的幫助。