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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：...

Dropout的运作方式 在神经网络的训练过程中，对于一次迭代中的某一层神经网络，先随机选择中的一些神经元并将其临时隐藏(丢弃)，然后再进行本次训练和优化。在下一次迭代中，继续随机隐藏一些神经元，如此直至训练结束。由于是随机丢弃，故而每一个mini-batch都在训练不同的网络。 在训练时，每个神经单元以概率 \(𝑝\) 被保留(Dropout丢弃率为 \(1−𝑝\) )；在预测阶段（测试阶段），每个神经单元都是存在的，权重参数 \(𝑤\) 要乘以 \(𝑝\) ，输出是： \(𝑝𝑤\) 。示意图如下： 预测阶段需要乘上 \(p\) 的原因： 前一层隐藏层的一个神经元在dropout之前的输出是 \(x\) ，训练时dropout之后的期望值是 \(E=px+0*(1−p)\) ; 在预测阶段该层神经元总是激活， 为了保持同样的输出期望值并使下一层也得到同样的结果 ，需要调整 \(x\rightarrow px\) . 其中 \(p\) 是Bernoulli分布（0-1分布）中值为1的概率。 Dropout 实现 如前文所述，在训练时随机隐藏部分神经元，在预测时必须要乘上p。代码如下：...

池化： 池化函数使用某一位置的相邻输出的总体统计特征来代替网络在该位置的输出。本质是 降采样，可以大幅减少网络的参数量 。 常用的池化有：均值池化（mean pooling）、最大池化（max pooling）。 pooling操作没有参数量！！！ 下面来说说这两种池化的区别与作用： 均值池化 主要用来 抑制邻域值之间差别过大，造成的方差过大 。 如，输入（2,10），通过均值池化后是（6）， 对于输入的整体信息保存的很好，在计算机视觉中：因为一般前景的值大于背景，并且背景较多，所以 对背景的保留效果好 反传 mean pooling的前向传播就是把一个patch中的值求取平均来做pooling，那么反向传播的过程也就是把某个元素的梯度等分为n份分配给前一层，这样就保证池化前后的梯度（残差）之和保持不变，还是比较理解的，图示如下 mean pooling比较容易让人理解错的地方就是会简单的认为直接把梯度复制N遍之后直接反向传播回去，但是这样会造成loss之和变为原来的N倍，网络是会产生梯度爆炸的。 最大池化 能够 抑制网络参数误差造成的估计均值偏移的现象 。...

Softmax初探 在机器学习尤其是深度学习中，softmax是个非常常用而且比较重要的函数，尤其在多分类的场景中使用广泛。他把一些输入映射为0-1之间的实数，并且归一化保证和为1，因此多分类的概率之和也刚好为1。 首先我们简单来看看softmax是什么意思。顾名思义，softmax由两个单词组成，其中一个是max。对于max我们都很熟悉，比如有两个变量 \(a\) , \(b\) 。如果 \(a>b\) ，则max为 \(a\) ，反之为 \(b\) 。用伪码简单描述一下就是 if a > b return a; else b 。 另外一个单词为soft。max存在的一个问题是什么呢？如果将max看成一个分类问题，就是非黑即白，最后的输出是一个确定的变量。更多的时候，我们希望输出的是取到某个分类的概率，或者说，我们希望 分值大的那一项被经常取到，而分值较小的那一项也有一定的概率偶尔被取到 ，所以我们就应用到了soft的概念，即最后的输出是每个分类被取到的概率。 Softmax的定义 假设有一个数组 \(V\) ， \(V_i\) 表示 \(V\) 中的第 \(i\)...

机器学习 Hinge Loss Hinge 的叫法来源于其损失函数的图形，为一个折线，通用函数方式为: \[L(m_i) = max(0,1-m_i(w))\] Hinge可以解 间距最大化 问题，带有代表性的就是svm,最初的svm优化函数如下: \[\underset{w,\zeta}{argmin} \frac{1}{2}||w||^2+ C\sum_i \zeta_i \\ st.\quad \forall y_iw^Tx_i \geq 1- \zeta_i \\ \zeta_i \geq 0\] 将约束项进行变形则为: \[\zeta_i \geq 1-y_iw^Tx_i\] 则可以将损失函数进一步写为: \[\begin{aligned}J(w)&=\frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i max(0,1-y_iw^Tx_i) \\ &= \frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i max(0,1-m_i(w)) \\ &= \frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i L_{Linge}(m_i) \end{aligned}\]...

mAP定义及相关概念 mAP: mean Average Precision, 即各类别AP的平均值 AP: PR曲线下面积，后文会详细讲解 PR曲线: Precision-Recall曲线 Precision: TP / (TP + FP) Recall: TP / (TP + FN) TP: IoU>0.5的检测框数量（同一Ground Truth只计算一次） FP: IoU<=0.5的检测框，或者是检测到同一个GT的多余检测框的数量 FN: 没有检测到的GT的数量 mAP的具体计算 由前面定义，我们可以知道，要计算mAP必须先绘出各类别PR曲线，计算出AP。而如何采样PR曲线，VOC采用过两种不同方法。 在VOC2010以前，只需要选取当Recall >= 0, 0.1, 0.2, ..., 1共11个点时的Precision最大值，然后AP就是这11个Precision的平均值。 在VOC2010及以后，需要针对每一个不同的Recall值（包括0和1），选取其大于等于这些Recall值时的Precision最大值，然后计算PR曲线下面积作为AP值。 mAP计算示例 假设，对于...

背景 RLHF 通常包括三个阶段： 有监督微调（SFT） RLHF首先通过在高质量数据上进行监督学习来微调预训练的语言模型，得到模型 \(\pi_{SFT}\) 。 奖励建模阶段 （Reward Model） 在第二阶段，SFT模型根据提示 \(x\) 生成答案对 \((y_1, y_2) \sim \pi_{SFT}(y|x)\) 。这些答案对呈现给人类标注者，他们表达对一个答案的偏好，表示为 \(y_w \succ y_l|x\) ，其中 \(y_w\) 和 \(y_l\) 分别表示在 \((y_1, y_2)\) 中更受偏好和不受偏好的答案。 这些偏好被假定由某个潜在的奖励模型 \(r^*(y, x)\) 生成，我们无法直接访问该模型。一种流行的建模偏好的方法是Bradley-Terry（BT）模型，该模型规定人类偏好分布 \(p^*\) 可以写为： \[p^*(y_1 \succ y_2|x) = \frac{\exp(r^*(x, y_1))}{\exp(r^*(x, y_1)) + \exp(r^*(x, y_2))} \] 假设我们有一个从 \(p^*\)...

文章从连续情形出发开始介绍重参数，主要的例子是正态分布的重参数；然后引入离散分布的重参数，这就涉及到了Gumbel Softmax，包括Gumbel Softmax的一些证明和讨论；最后再讲讲重参数背后的一些故事，这主要跟梯度估计有关。 基本概念 重参数（Reparameterization） 实际上是处理如下期望形式的目标函数的一种技巧： \[L_{\theta}=\mathbb{E}_{z\sim p_{\theta}(z)}[f(z)]\tag{1}\] 这样的目标在VAE中会出现，在文本GAN也会出现，在强化学习中也会出现（ \(f(z)\) 对应于奖励函数），所以深究下去，我们会经常碰到这样的目标函数。取决于 \(z\) 的连续性，它对应不同的形式： \[\int p_{\theta}(z) f(z)dz\,\,\,\text{(连续情形)}\qquad\qquad \sum_{z} p_{\theta}(z) f(z)\,\,\,\text{(离散情形)}\tag{2}\] 当然，离散情况下我们更喜欢将记号 \(z\) 换成 \(y\) 或者 \(c\) 。 为了最小化...

Self-Supervised Learning ，又称为自监督学习，我们知道一般机器学习分为有监督学习，无监督学习和强化学习。 而 Self-Supervised Learning 是无监督学习里面的一种，主要是希望能够学习到一种 通用的特征表达 用于 下游任务 (Downstream Tasks) 。 其主要的方式就是通过自己监督自己。作为代表作的 kaiming 的 MoCo 引发一波热议， Yann Lecun也在 AAAI 上讲 Self-Supervised Learning 是未来的大势所趋。所以在这个系列中，我会系统地解读 Self-Supervised Learning 的经典工作。 本文主要介绍 Self-Supervised Learning 在 NLP领域 的经典工作：BERT模型的原理及其变体。 本文来自台湾大学李宏毅老师PPT： https://speech.ee.ntu.edu.tw/~hylee/ml/ml2021-course-data/bert_v8.pdf 芝麻街 在介绍 Self-Supervised Learning...