Самый большой научпоп канал
Подписаться
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.12.2024
ФизТех
235

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
Позавчера, 10:20
Редакция Naked Science

Онлайн-шопинг, доставка еды, мобильный банкинг и стриминг кино — часть повседневности. Мы почти не задумываемся, что делает все это возможным. Ответ — облачные технологии. За каждой покупкой, переводом или просмотром фильма работает невидимая инфраструктура, без которой современные цифровые сервисы попросту остановились бы. Рассказываем, как облака изменили нашу цифровую жизнь и стали незаметным мотором современной экономики.

8 часов назад
Александр Березин

В рамках новой модели вспышки сверхновых существенно нарушили парниковый эффект на нашей планете. Это должно приводить к похолоданиям и даже вымиранию отдельных видов.

Позавчера, 10:19
Редакция Naked Science

Сегодня в облаке запускают продукты, тестируют гипотезы, обучают ИИ-модели, автоматизируют бухгалтерию и разворачивают сервисы и приложения на сотни тысяч пользователей. Когда мы говорим, что бизнес «уходит в облако», мы имеем в виду не красивую метафору, а вполне конкретную практику — аренду инфраструктуры, вычислительных мощностей и приложений у провайдера, который отвечает за их надежную работу.

9 июня
Александр Березин

2020-е годы показали, что любая система международной торговли может быть разрушена в кратчайшие сроки. Ученые решили выяснить, какие государства в таких условиях смогут прокормить свое население, а какие — не совсем. Лидером, что неожиданно, оказалось очень небольшое государство с населением менее миллиона человек.

9 июня
Адель Романенкова

Инженер Эррол Маск заявил, что одновременно с вопросом о межпланетном перелете автоматически возникает вопрос о возвращении астронавтов на Землю.

Позавчера, 10:20
Редакция Naked Science

Онлайн-шопинг, доставка еды, мобильный банкинг и стриминг кино — часть повседневности. Мы почти не задумываемся, что делает все это возможным. Ответ — облачные технологии. За каждой покупкой, переводом или просмотром фильма работает невидимая инфраструктура, без которой современные цифровые сервисы попросту остановились бы. Рассказываем, как облака изменили нашу цифровую жизнь и стали незаметным мотором современной экономики.

5 июня
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

22 мая
ПНИПУ

Недавно вышел второй сезон сериала «Одни из нас» (TheLastofUs), созданного по сюжету популярнейшей видеоигры. Ученые Пермского Политеха решили разобраться, насколько реален сценарий грибной пандемии, превращающей людей зомби? Чем живет кордицепс и как он «ищет» своих жертв, действительно ли паразит способен эволюционировать настолько, чтобы поражать человеческий организм и подчинять себе его волю, был бы у людей шанс выжить, какие грибы уже поселились в наших телах и выручит ли нас иммунитет, сформированный тысячелетиями.

26 мая
Unitsky String Technologies Inc.

Казахстанский Алматы — город контрастов, где горы соседствуют с урбанистическими пейзажами, а бизнес-центры — с историческими кварталами. Неизменным остается одно — пробки. Ежедневно сюда приезжает более 700 тысяч автомобилей из пригородов, при этом в самом мегаполисе зарегистрировано порядка 600 тысяч транспортных средств. В результате по улицам ежедневно движется более миллиона транспортных средств.

[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
Закрыть
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