InfoQ 专访慎熙鹏教授：将深度学习训练时间缩短 69%

北卡罗莱纳州立大学的研究人员最近在第35届IEEE国际数据工程大会（the 35th IEEE International Conference on Data Engineering，简称ICDE 2019）上发表了一篇论文，介绍了他们发明的新技术，该技术可以最高减少 69%的深度神经网络训练时间。

慎熙鹏（Xipeng Shen）博士以及博士研究生开发了一种名为自适应深度重用（Adaptive Deep Reuse，简称 ADR）的技术，该技术利用了输入到神经网络层的数据值之间的相似性。训练神经网络的一个基本操作是把输入数据的向量与权重矩阵相乘，正是这种乘法运算消耗了训练过程中大部分的处理能力。

ADR 的核心思想是，不是对每个唯一的输入向量重新计算向量-矩阵乘积，而是训练过程把输入进行聚类，对相似的输入向量重用单个近似乘积结果。这确实降低了计算精度；但是，训练的早期阶段“与后期阶段相比，对近似误差的敏感性要低一些。”在后期阶段，处理过程调整聚类参数以减少近似误差。此外，聚类和近似不仅可以用于神经网络的输入，还可以用于网络隐藏层的激活映射。

该团队通过在三种流行的卷积神经网络（CNN）图像分类架构训练中的使用对 ADR 进行了评估，这三种神经网络是：CifarNet、AlexNet和VGG-19。ADR 分别减少了 CifarNet 63%、VGG-19 68%和 AlexNet 69%的训练时间，而且都没有损失精度。

InfoQ 就慎博士的工作对他进行了采访。

InfoQ：请问，是什么给您灵感发明了这个新技术？在开发自适应深度重用技术前，您是否尝试了其他方法？

慎熙鹏：这个想法来自我们的长期远景。总体来看，在这个世界上，任何时刻都有很多计算是不必要的。但是，通过关注深度神经网络，我们一直在思考，是否能够找出这些冗余的计算并避免它们的发生。在此之前，我们尝试了很多方法。我们尝试查看过滤器权重矩阵，它可以是稀疏矩阵；也就是说，其中的很多元素为 0。我们进行了探索，试图避免和 0 做乘法，但是很难。然后，我们意识到，激活映射或输入可以是另一个尝试角度。我们的见解始于输入：很多图像拥有大量相似或相同的像素点。一位研究生调查了现实世界的数据集，发现的确如此。接着，我们希望知道，在中间层上是否也是这样，没错，也是这样。有了这个结论，我们唯一要做的就是，如何有效的找到重用机会并转化为实际的时间节省。在我们找到解决方案后，自适应深度重用技术就这样诞生了。

InfoQ：您在TensorFlow上实现了它；为什么是 TensorFlow 而不是其他框架呢？自适应深度重用是否可以应用于其他框架？

慎熙鹏：我们选择 TensorFlow 的原因是我们对它更为熟悉。它也是非常流行的框架。该技术本身是非常基础的，试图加速矩阵-向量乘法的低级运算，并且它也可以跨平台工作。

InfoQ：该技术既可以用于推理时间，也可以用于训练；您是否将其视为一种有价值的增强，可以用于计算受限环境（如移动或物联网）的推理？

慎熙鹏：我们已经准备了一篇论文，即将在 6 月举行的国际超级计算大会（International Conference on Supercomputing，ICS 2019）上发表，该论文是关于在推理中使用该技术。在该论文中，我们展示了深度重用可以将推理加速两倍。我们在服务器和嵌入式设备上都实现了，因此，该技术已经证明其有可能用于嵌入式设备，如物联网。

InfoQ：该技术是否适用于其他深度神经网络架构，比如，RNN 或 Transformer/Attention 网络？

慎熙鹏：是的，可以的。我们讨论过在LSTM上使用它，但是还未通过实验对它的好处做定量判断。

InfoQ：您是否能谈谈未来相关的工作？

慎熙鹏：有很多可能的方向。我们研究了激活映射和输入方面，但是，在深度神经网络中可能还有其他潜在的重用机会。

除 CNN 之外，还有其它类型的网络：我们需要在其他网络（如 LSTM）中定量地确定其优势。其他研究人员已经问过把这个想法应用于他们系统的可能性。模式可能不同，因此，对创新来说，可能有新的挑战和新的机会。但是，我们的目标是：把该技术推广到其他网络。

我们也可以把该技术应用于分布式训练，那里会有一些有趣的挑战等着我们：比如，重用跨节点的数据以实现模型并行。

可以在ICDE 2019网站上阅读本论文。

查看英文原文：Xipeng Shen on a New Technique to Reduce Deep-Learning Training Time