• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.12.2024
ФизТех
229

Новый метод квантования обеспечит стабильность бинарных нейронных сетей

4.4

Группа российских ученых из компании Smart Engines и МФТИ предложила новый способ квантования бинарных нейронных сетей. Им удалось добиться лучших результатов для обучения таких сетей.

Структура слоя БНС в режиме обучения / © Computer Optics 2024

Работа опубликована в журнале Computer Optics. Современные нейронные сети широко используются в самых разных областях: от обработки естественного языка и генерации изображений до распознавания символов на мобильных устройствах. В стремительно развивающемся мире искусственного интеллекта эффективность вычислений является критическим фактором. Для многих приложений, особенно для работы на маломощных устройствах (мобильные телефоны, встраиваемые системы, системы автономного вождения), критичны скорость и размер нейронной сети.

Бинарные нейронные сети (БНС)— это один из подходов к созданию компактных и быстрых сетей. В них веса и активации представляются всего одним битом информации (–1 или 1), что значительно уменьшает объем памяти, необходимый для хранения модели, и позволяет использовать быстрые побитовые операции вместо трудоемких умножений. Однако обучение БНС — сложная задача, которая долгое время сдерживала их широкое применение.

Традиционные методы обучения нейронных сетей не подходят для бинарных нейронных сетей. Основная сложность заключается в том, что функция активации (преобразование входных данных в бинарные значения) — это кусочно-постоянная функция (знаковая функция), которая имеет нулевую производную во всех точках, где эта производная определена, — затрудняет применение методов обратного распространения ошибки. Для решения этой проблемы использовались различные подходы.

Метод прямой оценки использует знаковую функцию при прямом проходе, а при обратном проходе — ее аппроксимацию для вычисления градиента. Недостатком является несоответствие градиентов и колебания весов, что приводит к медленному и нестабильному обучению.

Самобинаризующиеся нейронные сети используют гладкую аппроксимацию знаковой функции (например, гиперболический тангенс), которая постепенно приближается к знаковой функции по мере обучения. Недостатком является разрыв между обучаемой моделью и конечной бинарной моделью, что приводит к снижению точности.

Ученые из МФТИ с коллегами совершили прорыв, разработав новый метод квантования на неопределенной базе, который решает эту проблему, обеспечивая стабильное обучение и высокое качество бинарных нейронных сетей даже при ограниченном количестве параметров. Он сочетает в себе преимущества двух выше описанных методов.

Ключевой идеей квантования на основе неопределенности является использование вероятностной активации, которая учитывает неопределенность в значениях весов и активаций.

«В основе нашего метода UBQ лежит новая концепция неопределенности активаций, позволяющая получить более точную аппроксимацию бинарной функции и, как следствие, более эффективно обучать бинарные нейронные сети», — рассказал Антон Трусов, аспирант кафедры когнитивных технологий Физтех-школы прикладной математики и информатики МФТИ.

В квантовании на основе неопределенности для каждого веса и активации вычисляется значение неопределенности, отражающее, насколько сеть «уверена» в его знаке (+1 или –1). Если неопределенность высока, используется гладкая аппроксимация знаковой функции, обеспечивающая стабильное обучение.

Если неопределенность низка, применяется прямое оценивание, что способствует быстрому переходу к бинарному представлению. Кроме того, для сглаживания перехода от режима обучения к режиму исполнения авторы предлагают постепенное «замораживание» слоев сети и замену стандартной процедуры нормализации на ее упрощенный аналог.

Для проверки эффективности квантования на основе неопределенности были проведены эксперименты на широко используемых наборах данных MNIST (распознавание рукописных цифр) и CIFAR-10 (классификация изображений). Обучались несколько небольших и больших сверточных нейронных сетей с бинарными слоями, используя два описанных выше метода и новый авторский. Результаты сравнивались по точности классификации.

Эксперименты показали, что новый метод превосходит прежние при работе с небольшими сетями и демонстрирует сопоставимые результаты с методом прямой оценки для больших сетей. Кроме того, метод квантования на основе неопределенности продемонстрировал более стабильное обучение, чем метод прямой оценки, что подтверждается меньшим разбросом результатов в повторных экспериментах.

Метод квантования на основе неопределенности можно оптимизировать для различных задач и архитектур сетей. Дальнейшие исследования могут включать в себя адаптацию параметров метода для различных задач, использование динамической неопределенности весов, применение метода к другим типам квантованных сетей.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 21:01
Юлия Трепалина

В прошлых исследованиях о скулшутинге в Соединенных Штатах некоторые эксперты называли основной причиной случаев массовой стрельбы в учебных заведениях наличие большого количества легальных «стволов» на руках у людей. Но в подобных работах редко систематически анализировали роль огнестрельного оружия в жизни школьных стрелков. По мнению профессора социологии Энн Нассауер из Эрфуртского университета (Германия), эта деталь роднит большинство совершавших такого рода нападения в США.

Вчера, 19:20
Березин Александр

Западные колонии финикийцев включали сильнейшую морскую державу древнего Средиземноморья — Карфаген. Его жители использовали финикийский язык и поклонялись соответствующим богам. Теперь генетики заявили, что практически все эти люди — не потомки финикийских колонистов. Происхождение их в связи с этим довольно загадочно.

Вчера, 14:46
Юлия Трепалина

Многие, наверное, слышали фразу «Между ними возникла „химия“». Поясняя смысл выражения, часто говорят, что любовная химия между мужчиной и женщиной — это нечто сложное и с трудом поддающееся определению. Однако ученые не любят такой неясности, поскольку она мешает исследовать явление. Недавно группа психологов с помощью опроса выяснила основные компоненты взаимного влечения в паре, которое принято называть романтической, или любовной, химией.

20 апреля
Полина Меньшова

Распространено мнение, что, чем чаще пара занимается сексом, тем сильнее каждый из партнеров доволен отношениями. Международная команда исследователей проверила этот тезис.

18 апреля
Игорь Байдов

В 2006 году исследователи из Великобритании объявили, что легендарный антикитерский механизм, древнегреческий «компьютер», мог быть всего лишь игрушкой для демонстрации астрономических явлений. Авторы нового исследования подтвердили это, построив математическую модель на основе данных своих коллег, которая показала, что шестерни устройства заклинивало при запуске. Но несмотря на полученные результаты, ученые пытаются спасти репутацию древнего чуда техники, обвинив предыдущую команду в ряде ошибок.

18 апреля
Любовь

Примерно 41-42 тысячи лет назад на Земле произошел кратковременный сдвиг магнитных полюсов, который мог способствовать вымиранию неандертальцев, но не Homo sapiens — их выживание авторы нового исследования связали с появлением теплой одежды и добычей охры.

8 апреля
Березин Александр

До 13 тысяч лет назад в Северной Америке жил вид, который ученые до недавнего времени считали волком. Компания Colossal Biosciences объявила о возрождении этого вымершего вида, но биологические детали ставят ее заявление под серьезное сомнение.

2 апреля
Березин Александр

Известный американский отраслевой обозреватель Эрик Бергер взял интервью у экипажа космического корабля Boeing, из-за технических проблем которого два астронавта задержались на орбите на девять месяцев вместо одной недели. Детали, которые они озвучили, указывают на серьезные проблемы Starliner, о которых ранее умалчивали. Люди провели немало времени при глубоко нештатной температуре. При слегка другом сценарии миссии экипаж корабля мог погибнуть. Официальные заявления NASA и Boeing сразу после июньского полета к МКС, судя по интервью, были заведомо неправдивыми.

16 апреля
Андрей

Многие знают, как популярны сувениры из окаменелостей — зубы древних акул или полированные панцири аммонитов. Но чем реже встречаются такие артефакты, тем они ценнее, то есть на них можно много заработать. И это проблема для палеонтологов. Американский специалист по тираннозаврам оценил ущерб, который нанесла коммерческая добыча костей T. rex и подсчитал среднюю цену таких образцов. Оказалось, больше половины найденных тирексов находится в частных руках, а значит, для науки они недоступны или ненадежны.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно