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分布式深度学习里的通信严重依赖于规则的集群通信，诸如 all-reduce, reduce-scatter, all-gather 等，因此，实现高度优化的集群通信，以及根据任务特点和通信拓扑选择合适的集群通信算法至关重要。 本文以数据并行经常使用的 all-reduce 为例来展示集群通信操作的数学性质。 All-reduce 在干什么？ 图 1：all-reduce 如图 1 所示，一共 4个设备，每个设备上有一个矩阵（为简单起见，我们特意让每一行就一个元素）， all-reduce 操作的目的是，让每个设备上的矩阵里的每一个位置的数值都是所有设备上对应位置的数值之和。 图2 如图 2 所示， all-reduce 可以通过 reduce-scatter 和 all-gather 这两个更基本的集群通信操作来实现。基于 ring 状通信可以高效的实现 reduce-scatter 和 all-gather，下面我们分别用示意图展示其过程。 reduce-scatter 的实现和性质 图 3：通过环状通信实现 reduce-scatter 从图 2...

进程 一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。 线程 进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。 与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。 Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。 public class MultiThread { public static void main(String[] args) { // 获取 Java 线程管理 MXBean ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); // 不需要获取同步的 monitor...

引言与背景 价值函数方法是强化学习中的核心技术，它解决了传统表格方法在处理大型状态或动作空间时的效率问题。本文探讨了从表格表示向函数表示的转变，这是强化学习算法发展的重要里程碑。 在强化学习的发展路径中，价值函数方法位于从基于模型到无模型、从表格表示到函数表示的演进过程中。它结合了时序差分学习的思想，并通过函数近似技术来处理复杂环境。 价值表示：从表格到函数 表格与函数表示的对比 传统的表格方法将状态值存储在一个表格中： 状态 \(s_1\) \(s_2\) \(\cdots\) \(s_n\) 估计值 \(\hat{v}(s_1)\) \(\hat{v}(s_2)\) \(\cdots\) \(\hat{v}(s_n)\) 而函数近似方法则使用参数化函数来表示这些值，例如： \[\hat{v}(s, w) = as + b = [s, 1] \begin{bmatrix} a \\ b \end{bmatrix} = \phi^T(s)w\] 其中 \(\phi(s)\in\mathbb{R}^2\) 称作是状态 \(s\) 的特征向量， \(w\) 是参数向量。...

引言 时序差分（Temporal-Difference，TD）方法是强化学习中的一类核心算法，它结合了动态规划与蒙特卡洛方法的优点。TD方法是无模型（model-free）学习方法，不需要环境模型即可学习价值函数和最优策略。 TD方法的核心特点是通过比较不同时间步骤的估计值之间的差异来更新价值函数，这种差异被称为"时序差分误差"（TD error）。TD方法可以被视为解决贝尔曼方程或贝尔曼最优方程的特殊随机逼近算法。 基础TD算法：状态值函数学习 给定策略 \(\pi\) ，基础TD算法用于估计状态值函数 \(v_\pi(s)\) 。假设我们有一些按照策略 \(\pi\) 生成的经验样本 \((s_0, r_1, s_1, ..., s_t, r_{t+1}, s_{t+1}, ...)\) ，TD算法的更新规则为： \[\begin{equation}\begin{aligned}v_{t+1}(s_t) &= v_t(s_t) - \alpha_t(s_t)[v_t(s_t) - (r_{t+1} + \gamma v_t(s_{t+1}))]\\ v_{t+1}(s) &=...

引言与背景 蒙特卡洛方法是强化学习中的重要算法类别，它标志着从基于模型到无模型算法的转变。这类算法不依赖环境模型，而是通过与环境的直接交互获取经验数据来学习最优策略。 蒙特卡洛方法在强化学习算法谱系中处于"无模型"方法的起始位置，是从基于模型的方法（如值迭代和策略迭代）向无模型方法过渡的第一步。 无模型强化学习的核心理念可以简述为： 如果没有模型，我们必须有数据；如果没有数据，我们必须有模型；如果两者都没有，我们就无法找到最优策略。在强化学习中，"数据"通常指智能体与环境交互的经验 。 均值估计问题 在介绍蒙特卡洛强化学习算法之前，我们首先需要理解均值估计问题，这是理解从数据而非模型中学习的基础。 考虑一个可以取有限实数集合 \(X\) 中值的随机变量 \(X\) ，我们的任务是计算 \(X\) 的均值或期望值： \(E[X]\) 有两种方法可以计算 \(E[X]\) ： 基于模型的方法 ：当已知随机变量的概率分布时，可以直接根据期望值的定义计算： \[E[X] = \sum_{x \in X} p(x) \cdot x\] 其中 \(p(x)\) 是 \(X\) 取值为 \(x\)...

Random erasing data augmentation 论文名称：Random erasing data augmentation 论文地址： https://arxiv.org/pdf/1708.04896v2.pdf 随机擦除增强，非常容易理解。作者提出的目的主要是模拟遮挡，从而提高模型泛化能力，这种操作其实非常make sense，因为我把物体遮挡一部分后依然能够分类正确，那么肯定会迫使网络利用局部未遮挡的数据进行识别，加大了训练难度，一定程度会提高泛化能力。其也可以被视为add noise的一种，并且与随机裁剪、随机水平翻转具有一定的互补性，综合应用他们，可以取得更好的模型表现，尤其是对噪声和遮挡具有更好的鲁棒性。具体操作就是：随机选择一个区域，然后采用随机值进行覆盖，模拟遮挡场景。 在细节上，可以通过参数控制擦除的面积比例和宽高比，如果随机到指定数目还无法满足设置条件，则强制返回。 一些可视化效果如下： Cutout 论文名称：Improved Regularization of Convolutional Neural Networks with Cutout...

Batch Normalization 什么是批归一化（Batch Normalization） 以前在神经网络训练中，只是对输入层数据进行归一化处理，却没有在中间层进行归一化处理。要知道，虽然我们对输入数据进行了归一化处理，但是 输入数据经过 ** \(\sigma(WX+b)\) 这样的矩阵乘法以及非线性运算之后，其数据分布很可能被改变，而随着深度网络的多层运算之后，数据分布的变化将越来越大**。如果我们能在网络的中间也进行归一化处理，是否对网络的训练起到改进作用呢？答案是肯定的。 这种在神经网络中间层也进行归一化处理，使训练效果更好的方法，就是批归一化Batch Normalization（BN）。 其作用在整个mini-batch上，沿着 \(C\) 维度对 \(N,H,W\) 三个维度进行归一化。具体来说，就是把第1个样本的第1个通道，加上第2个样本第1个通道 ...... 加上第 \(N\) 个样本第1个通道，求平均，得到通道 1 的均值 （注意是除以 \(N×H×W\) 而不是单纯除以 \(N\) ，最后得到的是一个代表这个 batch...

通过卷积和池化等技术可以将图像进行降维，因此，一些研究人员也想办法恢复原分辨率大小的图像，特别是在语义分割领域应用很成熟。 Upsampling（上采样）[没有学习过程] 在FCN、U-net等网络结构中，涉及到了上采样。上采样概念： 上采样指的是任何可以让图像变成更高分辨率的技术 。最简单的方式是 重采样和插值 ：将输入图片进行rescale到一个想要的尺寸，而且计算每个点的像素点，使用如双线性插值等插值方法对其余点进行插值来完成上采样过程。 在PyTorch中，上采样的层被封装在 torch.nn 中的 Vision Layers 里面，一共有4种： PixelShuffle Upsample UpsamplingNearest2d UpsamplingBilinear2d PixelShuffle 当stride = (1/r) < 1时，可以让卷积后的feature map变大——即分辨率变大，这个新的操作叫做sub-pixel convolution，具体原理可以看 “PixelShuffle：Real-Time Single Image and Video...

现代深度学习库对大多数操作都具有生产级的、高度优化的实现，这并不奇怪。但这些库究竟是什么魔法？他们如何能够将性能提高100倍？究竟怎样才能“优化”或加速神经网络的运行呢？在讨论高性能/高效DNNs时，我经常会问(也经常被问到)这些问题。 在这篇文章中，我将尝试带你了解在DNN库中卷积层是如何实现的。它不仅是在模型中最常见的和最重的操作，我还发现卷积高性能实现的技巧特别具有代表性——一点点算法的小聪明，非常多的仔细的调优和低层架构的开发。 我在这里介绍的很多内容都来自Goto等人的开创性论文：Anatomy of a high-performance matrix multiplication，该论文为OpenBLAS等线性代数库中使用的算法奠定了基础。 最原始的卷积实现 “过早的优化是万恶之源”——Donald Knuth 在进行优化之前，我们先了解一下基线和瓶颈。这是一个朴素的numpy/for循环卷积： ''' Convolve `input` with `kernel` to generate `output` input.shape =...

最近，似乎现在每个大型语言模型（LLM）和新闻中提到的复杂神经网络架构都使用略有不同的激活函数，而就在几年前，最常见的做法只是在神经网络的内部层中使用 ReLU。 曾经优秀的 ReLUs 怎么了，以及是什么促使最新的大型语言模型（LLMs）的创造者们开始使用不同的（更高级的）激活函数？ Threshold activation (Perceptron) 1957 年，罗森布拉特建造了“感知机” 最古老的激活函数是基本感知器。它由芝加哥大学精神病学系的爱德华·麦克洛奇和沃尔特·皮茨构思，后来由弗兰克·罗森布拉特在 1957 年于康奈尔航空实验室为美国海军在硬件上更著名地实现了。该算法非常简单，其基本规则是：如果某个值超过某个阈值，则返回 1，否则返回 0。有些变体会返回 1 或-1。 由于其二元特性，除了某一点外，其导数为 0。这意味着权重无法通过反向传播等技术与网络提供的标签成比例地缩放。 多层感知器会简化为线性函数，使得它难以处理非线性可分的数据，比如这两个甜甜圈点云。 Sigmoid \[sigmoid(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}}\] logistic...

随着LLM时代的到来，学术界对于优化器的研究热情似乎有所减退。这主要是因为目前主流的AdamW已经能够满足大多数需求，而如果对优化器“大动干戈”，那么需要巨大的验证成本。因此，当前优化器的变化，多数都只是工业界根据自己的训练经验来对AdamW打的一些小补丁。 不过，最近推特上一个名为“Muon”的优化器颇为热闹，它声称比AdamW更为高效，且并不只是在Adam基础上的“小打小闹”，而是体现了关于向量与矩阵差异的一些值得深思的原理。本文让我们一起赏析一番。 算法初探 Muon全称是“MomentUm Orthogonalized by Newton-schulz”，它适用于矩阵参数 \(\boldsymbol{W}\in\mathbb{R}^{n\times m}\) ，其更新规则是 \[\begin{aligned} \boldsymbol{M}_t =&\, \beta\boldsymbol{M}_{t-1} + \boldsymbol{G}_t \\[5pt] \boldsymbol{W}_t =&\, \boldsymbol{W}_{t-1} - \eta_t...

一般来说，神经网络处理的东西都是连续的浮点数，标准的输出也是连续型的数字。但实际问题中，我们很多时候都需要一个离散的结果，比如分类问题中我们希望输出正确的类别，“类别”是离散的，“类别的概率”才是连续的；又比如我们很多任务的评测指标实际上都是离散的，比如分类问题的正确率和F1、机器翻译中的BLEU，等等。 还是以分类问题为例，常见的评测指标是正确率，而常见的损失函数是交叉熵。交叉熵的降低与正确率的提升确实会有一定的关联，但它们不是绝对的单调相关关系。换句话说，交叉熵下降了，正确率不一定上升。显然，如果能用正确率的相反数做损失函数，那是最理想的，但正确率是不可导的（涉及到 \(\text{argmax}\) 等操作），所以没法直接用。 这时候一般有两种解决方案；一是动用强化学习，将正确率设为奖励函数，这是“用牛刀杀鸡”的方案； 另外一种是试图给正确率找一个光滑可导的近似公式 。本文就来探讨一下常见的不可导函数的光滑近似，有时候我们称之为“光滑化”，有时候我们也称之为“软化”。 max 后面谈到的大部分内容，基础点就是max操作的光滑近似，我们有：...