十年前，深度學(xué)習(xí)崛起的部分原因在于新算法和架構(gòu)的融合、數(shù)據(jù)的顯著增加以及計(jì)算能力方面的提升。過(guò)去10年里，AI和ML模型更加深入、復(fù)雜、有了更多的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，也因而變得更大、更繁瑣，這也為機(jī)器學(xué)習(xí)歷史帶來(lái)了最具變革性的成果。

這些模型越來(lái)越多地應(yīng)用于生產(chǎn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用程序中，與此同時(shí)，其效率和成本已經(jīng)從次要的考慮因素演變?yōu)橹饕南拗啤榱藨?yīng)對(duì)在高效架構(gòu)，訓(xùn)練效率，數(shù)據(jù)效率和推理效率四個(gè)層面的重大挑戰(zhàn)，谷歌繼續(xù)在ML效率上投入大量資金。除了效率之外，這些模型還面臨著許多關(guān)于真實(shí)性、安全性、隱私性和新鮮度的挑戰(zhàn)。接下來(lái)，本文將重點(diǎn)介紹Google Research為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，在開(kāi)發(fā)新算法方面所做的努力。

研究的基本問(wèn)題在于「是否有更好的方法來(lái)參數(shù)化模型以提高效率？」2022年，研究人員專注于通過(guò)檢索上下文、混合專家系統(tǒng)，以及提升Transformer（大型ML模型的心）的效率來(lái)研發(fā)通過(guò)增強(qiáng)模型來(lái)注入外部知識(shí)的新技術(shù)。

上下文增強(qiáng)模型?

為了追求更高的質(zhì)量和效率，可以使用來(lái)自大型數(shù)據(jù)庫(kù)或可訓(xùn)練內(nèi)存的外部上下文來(lái)增強(qiáng)神經(jīng)模型。通過(guò)利用檢索到的上下文，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)需在其內(nèi)部參數(shù)中廣泛地儲(chǔ)備知識(shí)，就能實(shí)現(xiàn)更好的參數(shù)效率、可解釋性和真實(shí)性。

一篇名為《用于上下文增強(qiáng)語(yǔ)言建模的解耦上下文處理》（Decoupled Context Processing for Context Augmented Language Modeling）的文章中探索了一種基于解耦編碼器-解碼器架構(gòu)的簡(jiǎn)單架構(gòu)，用于將外部上下文合并到語(yǔ)言模型中。在自回歸語(yǔ)言建模和開(kāi)放領(lǐng)域問(wèn)答任務(wù)中，這大大節(jié)省了計(jì)算量。然而，預(yù)訓(xùn)練大型語(yǔ)言模型（LLMs）通過(guò)在大型訓(xùn)練集上的自監(jiān)督消耗了大量的信息。但是，目前還不清楚這些模型對(duì)世界的認(rèn)識(shí)是如何與所呈現(xiàn)的上下文相互作用的。通過(guò)知識(shí)感知微調(diào)（KAFT），研究人員將反事實(shí)和不相關(guān)的上下文納入標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督數(shù)據(jù)集，這加強(qiáng)了LLM的可控性和魯棒性。

用于上下文合并的編碼器-解碼器交叉注意機(jī)制，允許上下文編碼與語(yǔ)言模型推理解耦，進(jìn)而提升上下文增強(qiáng)模型的效率。

在尋求模塊化深度網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，其中一個(gè)問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)具有相應(yīng)計(jì)算模塊的概念數(shù)據(jù)庫(kù)。研究人員提出了一種理論體系架構(gòu)，將「記憶事件」（remember events）以sketches的形式存儲(chǔ)在一個(gè)外部LSH表中，其中包括一個(gè)pointers模塊來(lái)處理sketches。

利用加速器從大型數(shù)據(jù)庫(kù)中快速檢索信息是上下文增強(qiáng)模型的另一大挑戰(zhàn)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于TPU的相似度搜索算法，該算法與TPU的性能模型保持一致，并對(duì)預(yù)期召回率提供了分析保證，實(shí)現(xiàn)了峰值性能。搜索算法通常涉及大量的超參數(shù)和設(shè)計(jì)選擇，這使得在執(zhí)行新任務(wù)時(shí)很難對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整。研究人員提出了一種新的約束優(yōu)化算法，用于自動(dòng)化超參數(shù)調(diào)優(yōu)。將期望的成本或召回率固定為輸入，所提出的算法產(chǎn)生的調(diào)優(yōu)在經(jīng)驗(yàn)上非常接近速度-召回率帕累托邊界（speed-recall Pareto frontier），并在標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)測(cè)試中提供領(lǐng)先的性能。

混合專家模型?

經(jīng)證明，混合專家(MoE）模型是在不過(guò)度增加計(jì)算成本的前提下，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型容量的有效手段。MoE的基本思想是由許多專家子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)輸入由一個(gè)合適的專家子集處理。因此，與標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，MoE只調(diào)用了整個(gè)模型的一小部分，從而產(chǎn)生了如GLaM等語(yǔ)言模型應(yīng)用程序所示的高效率。

GLaM 體系架構(gòu)中的每個(gè)輸入 token 被動(dòng)態(tài)路由到 64 個(gè)專家網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

對(duì)于給定的輸入，路由函數(shù)負(fù)責(zé)決定應(yīng)當(dāng)激活哪些專家，該函數(shù)的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檠芯空呦Ｍ苊鈱?duì)每個(gè)專家的利用不足和過(guò)度利用。最近的一項(xiàng)工作提出了專家選擇路由，這是一種新的路由機(jī)制，它不是將每個(gè)輸入 token 分配給 top-k 專家，而是將每個(gè)專家分配給 top-k token。這將自動(dòng)確保專家的負(fù)載平衡，同時(shí)也自然地允許多個(gè)專家處理一個(gè)輸入 token。

專家選擇路由。具有預(yù)定緩沖區(qū)容量的專家被分配 top-k token，從而保證負(fù)載平衡。每個(gè) token 可以由數(shù)量不定的專家處理。

有效的 Transformer?

Transformer 是當(dāng)下正火熱的序列到序列模型，在從視覺(jué)到自然語(yǔ)言理解等一系列具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題上取得了顯著的成功。這種模型的核心組成部分是注意力層，它識(shí)別查詢和鍵之間的相似性，并使用這些相似性構(gòu)造一個(gè)適當(dāng)?shù)闹导訖?quán)組合。雖然性能強(qiáng)，但注意力機(jī)制的計(jì)算效率卻不高，復(fù)雜度通常為輸入序列長(zhǎng)度的二次方。

隨著 Transformer 規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，其中一個(gè)問(wèn)題的研究十分有價(jià)值，即是否有任何自然發(fā)生的結(jié)構(gòu)或模式的學(xué)習(xí)模型，可以解決注意力有效的原理。為此，研究人員研究了中間 MLP 層中的學(xué)習(xí)嵌入，并且發(fā)現(xiàn)它們非常稀疏 —— 例如，T5-Large 模型有 1% 的非零項(xiàng)。稀疏性進(jìn)一步表明，人們可以在不影響模型性能的情況下潛在地降低 FLOPs。

最近，有研究推出 Treeformer—— 一種依賴于決策樹的標(biāo)準(zhǔn)注意力計(jì)算的替代方案。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這可以快速識(shí)別與查詢相關(guān)的鍵的一小部分，并且只對(duì)該集合執(zhí)行注意力操作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Treeformer 可以將注意力層的 FLOPs 降低 30 倍。除此之外還有序列注意力 —— 一種結(jié)合了注意力和貪婪算法的可微分特征選擇方法。該技術(shù)對(duì)線性模型有很強(qiáng)的可證明保證，并可無(wú)縫擴(kuò)展到大型嵌入模型。?

另一種提高 Transformer 效率的方法是在注意力層中加速 softmax 計(jì)算。在「low-rank approximation of the softmax kernel」研究基礎(chǔ)上，研究人員提出了一類新的隨機(jī)特征，提供了 softmax kernel 的首個(gè)「positive and bounded」隨機(jī)特征近似，并且在序列長(zhǎng)度上的計(jì)算是線性的。

訓(xùn)練效率?

高效的優(yōu)化方法是現(xiàn)代 ML 應(yīng)用程序的基石，在大規(guī)模設(shè)置中，這一點(diǎn)尤其重要。在這種設(shè)置下，即使是像 Adam 這樣的一階自適應(yīng)方法通常也很昂貴，并且訓(xùn)練穩(wěn)定性面臨重重挑戰(zhàn)。此外，這些方法通常對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)不可知，從而忽略了架構(gòu)的豐富性，導(dǎo)致訓(xùn)練效率低下。這也促使新技術(shù)不斷被提出以更有效地優(yōu)化現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。研究人員正在開(kāi)發(fā)新的架構(gòu)感知訓(xùn)練技術(shù)，例如，用于訓(xùn)練 Transformer 網(wǎng)絡(luò)的一些研究，包括新的規(guī)模不變的 Transformer 網(wǎng)絡(luò)和新的剪枝方法，并與隨機(jī)梯度下降（SGD）結(jié)合使用，以加快訓(xùn)練進(jìn)程。在該方法的幫助下，研究人員第一次能夠使用簡(jiǎn)單的 SGD 有效地訓(xùn)練 BERT，而不需要自適應(yīng)。

此外，研究人員在 LocoProp 的幫助下提出了一種新的方法 —— 在使用與一階優(yōu)化器相同的計(jì)算和內(nèi)存資源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與二階優(yōu)化器類似的性能。LocoProp 采用模塊化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視圖，將它們分解成層的組合。然后允許每一層都有自己的損失函數(shù)以及輸出目標(biāo)和權(quán)重正則化器。有了這個(gè)設(shè)置，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)那昂髠鬟f后，LocoProp 繼續(xù)對(duì)每一層的局部損失進(jìn)行并行更新。事實(shí)上，無(wú)論是理論上還是經(jīng)驗(yàn)上，這些更新可以被證明類似于那些高階優(yōu)化器。在深度自編碼器基準(zhǔn)上，LocoProp 實(shí)現(xiàn)了與高階優(yōu)化器相當(dāng)?shù)男阅?，同時(shí)更具速度優(yōu)勢(shì)。

論文鏈接：https://proceedings.mlr.press/v151/amid22a.html?

與反向傳播類似，LocoProp 應(yīng)用前向傳遞來(lái)計(jì)算激活。在向后傳遞中，LocoProp 為每一層設(shè)置每個(gè)神經(jīng)元目標(biāo)。最后，LocoProp 將模型訓(xùn)練拆分為跨層的獨(dú)立問(wèn)題，其中幾個(gè)本地更新可以并行應(yīng)用于每個(gè)層的權(quán)重。

SGD 等優(yōu)化器的核心思想是，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)從分布中獨(dú)立且相同地采樣?？上н@在實(shí)際環(huán)境中很難滿足，比如強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在這種情況下，模型（或智能體）必須從基于自己預(yù)測(cè)生成的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。研究人員提出了一種新的基于反向經(jīng)驗(yàn)重放的 SGD 算法，該算法可以在線性動(dòng)力系統(tǒng)、非線性動(dòng)力系統(tǒng)和 Q-learning 中找到最優(yōu)解。此外，已經(jīng)有研究證明該方法的增強(qiáng)版本 IER 是目前最先進(jìn)的版本，并且是在各種流行的 RL 基準(zhǔn)測(cè)試中最穩(wěn)定的體驗(yàn)重放技術(shù)。

數(shù)據(jù)效率?

在許多任務(wù)中，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重依賴于大型數(shù)據(jù)集。除了大型數(shù)據(jù)集帶來(lái)的存儲(chǔ)成本和潛在的安全 / 隱私問(wèn)題外，在此類數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練現(xiàn)代深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還會(huì)產(chǎn)生很高的計(jì)算成本。解決這個(gè)問(wèn)題的可行方法之一是對(duì)數(shù)據(jù)子集進(jìn)行選擇。?

研究人員分析了子集選擇框架，設(shè)計(jì)用于實(shí)際批處理設(shè)置中的任意模型族。在這種情況下，學(xué)習(xí)器可以一次采樣一個(gè)示例，同時(shí)訪問(wèn)上下文和 true 標(biāo)簽，但為了限制開(kāi)銷，只有在選擇了足夠多的示例批次后才能更新其狀態(tài)（即進(jìn)一步的訓(xùn)練模型權(quán)重）。研究人員開(kāi)發(fā)了一種算法，稱為 IWeS，它通過(guò)重要性抽樣來(lái)選擇示例，其中分配給每個(gè)示例的抽樣概率是基于在先前選擇的批次上訓(xùn)練的模型的熵。研究所提供的理論分析證明了泛化和抽樣率的界限。

訓(xùn)練大型網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)問(wèn)題是，它們可能對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和部署時(shí)看到的數(shù)據(jù)之間的分布變化高度敏感，特別是在使用有限數(shù)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)可能無(wú)法覆蓋所有部署時(shí)場(chǎng)景。最近的一項(xiàng)研究假設(shè)「極端簡(jiǎn)單性偏差」是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種脆弱性背后的關(guān)鍵問(wèn)題，其使這一假設(shè)成為可行，導(dǎo)致了兩種新的互補(bǔ)方法 ——DAFT 和 FRR—— 結(jié)合在一起時(shí)，可以提供明顯更魯棒的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。特別是，這兩種方法使用對(duì)抗性微調(diào)以及反向特征預(yù)測(cè)來(lái)加強(qiáng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。

推理效率

事實(shí)證明，增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模能夠提高其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，然而，在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)這些收益是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榇笮湍Ｐ偷耐评沓杀緦?duì)于部署來(lái)說(shuō)非常高。這促使策略提高服務(wù)效率，而不犧牲準(zhǔn)確性。在 2022 年，專家研究了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的不同策略，特別是基于知識(shí)蒸餾和自適應(yīng)計(jì)算的策略。

蒸餾?

蒸餾是一種簡(jiǎn)單而有效的模型壓縮方法，極大地?cái)U(kuò)展了大型神經(jīng)模型的潛在適用性。已有研究證明蒸餾能在廣告推薦等一系列實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其作用。蒸餾的大多數(shù)用例涉及基本配方在給定領(lǐng)域的直接應(yīng)用，對(duì)何時(shí)以及為什么這應(yīng)該起作用的理解有限。谷歌今年的研究著眼于針對(duì)特定環(huán)境定制蒸餾，并正式研究了控制蒸餾成功的因素。?

在算法方面，研究通過(guò)仔細(xì)建模教師標(biāo)簽中的噪聲，開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)重新加權(quán)訓(xùn)練示例的重要途徑，以及一項(xiàng)有效措施來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)子集進(jìn)行采樣以獲得教師標(biāo)簽。谷歌在《Teacher Guided Training: An Efficient Framework for Knowledge Transfer》中表明：不是被動(dòng)地使用教師來(lái)注釋固定的數(shù)據(jù)集，而是主動(dòng)地使用教師來(lái)指導(dǎo)選擇要注釋的信息性樣本。這使得蒸餾過(guò)程在有限的數(shù)據(jù)或長(zhǎng)尾設(shè)置中脫穎而出。

除此之外，谷歌還研究了從交叉編碼器 (dual-encoder, 例如 BERT) 到因子雙編碼器（dual-encoder）的新方法，這也是對(duì)（query, document）對(duì)的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)分的重要設(shè)置。研究人員探討了交叉編碼器和雙編碼器之間性能差距的原因，注意到這可能是泛化的結(jié)果，而不是雙編碼器的容量限制。精餾損失函數(shù)的精心構(gòu)造可以緩解這種情況，并減少交叉編碼器和雙編碼器性能之間的差距。隨后，在 embedtitil 中，研究通過(guò)匹配教師模型中的嵌入來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)雙編碼器蒸餾。這種策略也可以用于從大到小的雙編碼器模型中提取信息，其中繼承和凍結(jié)教師的文檔嵌入可以證明是非常有效的。

理論方面，研究從監(jiān)督復(fù)雜性角度出發(fā)，提供了一個(gè)關(guān)于蒸餾的新視角，這是一種衡量學(xué)生預(yù)測(cè)教師標(biāo)簽程度的方法。NTK（neural tangent kernel ）理論提供了概念性的見(jiàn)解。研究進(jìn)一步證明，蒸餾會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不適合教師模型認(rèn)為難以建模的點(diǎn)。直觀地說(shuō)，這可以幫助學(xué)生將有限的能力集中在那些可以合理建模的樣本上。

自適應(yīng)計(jì)算

雖然蒸餾是一種降低推理成本的有效手段，但它在所有樣本上都是一致的。然而，直觀地說(shuō)，一些簡(jiǎn)單（easy）樣本可能天生就比困難（hard）樣本需要更少的計(jì)算。自適應(yīng)計(jì)算的目標(biāo)是設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)這種依賴于樣本的計(jì)算的機(jī)制。?

CALM（Confident Adaptive Language Modeling）為基于 Transformer 的文本生成器（如 T5）引入了受控的早期退出（early-exit）功能。

在這種形式的自適應(yīng)計(jì)算中，模型動(dòng)態(tài)地修改每個(gè)解碼步驟使用的 Transformer 層數(shù)。早期退出門使用帶有決策閾值的置信度測(cè)量，該決策閾值經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，以滿足統(tǒng)計(jì)性能保證。通過(guò)這種方式，模型只需要為最具挑戰(zhàn)性的預(yù)測(cè)計(jì)算解碼器層的完整堆棧。更簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)只需要計(jì)算幾個(gè)解碼器層。在實(shí)踐中，該模型平均使用大約三分之一的層進(jìn)行預(yù)測(cè)，在保持相同水平的生成質(zhì)量的同時(shí)，速度能提升 2-3 倍。

使用常規(guī)語(yǔ)言模型（top）和 CALM （bottom）生成文本。CALM 試圖做出早期預(yù)測(cè)。一旦對(duì)生成的內(nèi)容足夠自信（深藍(lán)色調(diào)），它就會(huì)跳過(guò)來(lái)節(jié)省時(shí)間。?

一種流行的自適應(yīng)計(jì)算機(jī)制是兩個(gè)或多個(gè)基本模型的級(jí)聯(lián)。使用級(jí)聯(lián)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：是簡(jiǎn)單地使用當(dāng)前模型的預(yù)測(cè)，還是將預(yù)測(cè)推遲到下游模型。學(xué)習(xí)何時(shí)延遲需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的損失函數(shù)，它可以利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)作為延遲決策的監(jiān)督。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員正式研究了現(xiàn)有的損失函數(shù)，證明由于隱含的標(biāo)簽平滑應(yīng)用，它們可能不適合訓(xùn)練樣本。研究展示了可以通過(guò)延遲規(guī)則的 post-hoc 訓(xùn)練來(lái)緩解這種情況，這并不需要以任何方式修改模型內(nèi)部。

對(duì)于檢索應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)義搜索技術(shù)對(duì)大型模型生成的每個(gè)嵌入使用固定表示。也就是說(shuō)，無(wú)論下游任務(wù)及其相關(guān)的計(jì)算環(huán)境或約束如何，表示的大小和能力基本上是固定的。MRL（Matryoshka representation learning）引入了根據(jù)部署環(huán)境調(diào)整表示法的靈活性。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)的近似最近鄰搜索技術(shù)（如 ScaNN）結(jié)合使用時(shí)，MRL 能夠提供高達(dá) 16 倍的低計(jì)算，同時(shí)具有相同的召回率和準(zhǔn)確率指標(biāo)。