DARTS：基于梯度下降的经典网络搜索方法，开启端到端的网络搜索 | ICLR 2019

2024-04-05 23:17:49

DARTS是很经典的NAS方法，它的出现打破了以往的离散的网络搜索模式，能够进行end-to-end的网络搜索。由于DARTS是基于梯度进行网络更新的，所以更新的方向比较准确，搜索时间相当于之前的方法有很大的提升，CIFAR-10的搜索仅需要4GPU days。

来源：晓飞的算法工程笔记公众号

论文: DARTS: Differentiable Architecture Search

论文地址：https://arxiv.org/abs/1806.09055
论文代码：https://github.com/quark0/darts

Introduction

目前流行的神经网络搜索方法大都是对离散的候选网络进行选择，而DARTS则是对连续的搜索空间进行搜索，并根据验证集的表现使用梯度下降进行网络结构优化，论文的主要贡献如下：

基于bilevel优化提出创新的gradient-based神经网络搜索方法DARTS，适用于卷积结构和循环结构。
通过实验表明gradient-based结构搜索方法在CIFAR-10和PTB数据集上都有很好的竞争力。
搜索性能很强，仅需要少量GPU days，主要得益于gradient-based优化模式。
通过DARTS在CIFAR-10和PTB上学习到的网络能够转移到大数据集ImageNet和WikiText-2上。

Differentiable Architecture Search

Search Space

DARTS的整体搜索框架跟NASNet等方法一样，通过搜索计算单元(cell)的作为网络的基础结构，然后堆叠成卷积网络或者循环网络。计算单元是个有向无环图，包含$N$个节点的有序序列，每个节点$x^{{(i)}$代表网络的中间信息(如卷积网络的特征图)，边代表对$x}{(i)}$的操作$o^{(i,j)}$。每个计算单元有两个输入和一个输出，对于卷积单元，输入为前两层的计算单元的输出，对于循环网络，输入则为当前step的输入和前一个step的状态，两者的输出均为将中间节点的所有输出进行合并操作。每个中间节点的计算基于前面所有的节点：

这里包含一个特殊的zero操作，用来指定两个节点间没有连接。DARTS将计算单元的学习转换为边操作的学习，整体搜索框架跟NASNet等方法一样，本文主要集中在DARTS如何进行gradient-based的搜索。

Continuous Relaxation and Optimization

让$O$为候选操作集，每个操作代表应用于$x^{(i)}$的函数$o(\cdot)$，为了让搜索空间连续化，将原本的离散操作选择转换为所有操作的softmax加权输出：

节点$(i,j)$间的操作的混合权重表示为维度$|O|$的向量$\alpha^{{(i,j)}$，整个架构搜索则简化为学习连续的值$\alpha={\alpha}{(i, j)}}$，如图1所示。在搜索的最后，每个节点选择概率最大的操作$o^{(i,j)}=argmax_{o\in O}\alpha^{{(i,j)}_o$代替$\bar{o}}{(i,j)}$，构建出最终的网络。
在简化后，DARTS目标是够同时学习网络结构$\alpha$和所有的操作权值$w$。对比之前的方法，DARTS能够根据验证集损失使用梯度下降进行结构优化。定义$\mathcal{L}{train}$和$\mathcal{L}{val}$为训练和验证集损失，损失由网络结构$\alpha$和网络权值$w$共同决定，搜索的最终目的是找到最优的$\alpha^{{*}$来最小化验证集损失$\mathcal{L}_{val}(w}{}, \alpha^{{*})$，其中网络权值$w}{}$则是通过最小化训练损失$w^{}=argmin_w \mathcal{L}_{train}(w, \alpha^{})$获得。这意味着DARTS是个bilevel优化问题，使用验证集优化网络结构，使用训练集优化网络权重，$\alpha$为上级变量，$w$为下级变量：

Approximate Architecture Gradient

公式3计算网络结构梯度的开销是很大的，主要在于公式4的内层优化，即每次结构的修改都需要重新训练得到网络的最优权重。为了简化这一操作，论文提出了提出了简单的近似的改进：

$w$表示当前的网络权重，$\xi$是内层优化单次更新的学习率，整体的思想是在网络结构改变后，通过单次训练step优化$w$来逼近$w^{(*)}(\alpha)$，而不是公式3那样需要完整地训练直到收敛。实际当权值$w$为内层优化的局部最优解时($\nabla_{w}\mathcal{L}{train}(w, \alpha)=0$)，公式6等同于公式5$\nabla{\alpha}\mathcal{L}_{val}(w, \alpha)$。

迭代的过程如算法1，交替更新网络结构和网络权重，每次的更新都仅使用少量的数据。根据链式法则，公式6可以展开为：

$w^{'}=w - \xi \nabla_w \mathcal{L}{train}(w, \alpha)$，上述的式子的第二项计算的开销很大，论文使用有限差分来近似计算，这是论文很关键的一步。$\epsilon$为小标量，$w^{\pm}=w\pm \epsilon \nabla{w^{'}} \mathcal{L}_{val}(w^{'}, \alpha)$，得到：

计算最终的差分需要两次正向+反向计算，计算复杂度从$O(|\alpha| |w|)$简化为$O(|\alpha|+|w|)$。

First-order Approximation

当$\xi=0$时，公式7的二阶导会消失，梯度由$\nabla_{\alpha}\mathcal{L}(w, \alpha)$决定，即认为当前权值总是最优的，直接通过网络结构修改来优化验证集损失。$\xi=0$能加速搜索的过程，但也可能会带来较差的表现。当$\xi=0$时，论文称之为一阶近似，当$\xi > 0$时，论文称之为二阶近似。

Deriving Discrete Architectures

在构建最终的网络结构时，每个节点选取来自不同节点的top-k个响应最强的非zero操作，响应强度通过$\frac{exp(\alpha^{{(i,j)_o})}{\sum_{o}{'}\in O}exp(\alpha^{(i,j)}_{o{'}})}$计算。为了让搜索的网络性能更好，卷积单元设置$k=2$，循环单元设置$k=1$。过滤zero操作主要让每个节点有足够多的输入，这样才能与当前的SOTA模型进行公平比较。