科学空间|Scientific Spaces

之前笔者一直都是聚焦于模型的构思和实现，鲜有关注模型的训练加速，像混合精度和XLA这些技术，虽然也有听过，但没真正去实践过。这两天折腾了一番，成功在bert4keras中使用了混合精度和XLA来加速训练，在此做个简单的总结，供大家参考。

本文的多数经验结论并不只限于bert4keras中使用，之所以在标题中强调bert4keras，只不过bert4keras中的模型实现相对较为规整，因此启动这些加速技巧所要做的修改相对更少。

实验环境

本文的实验显卡为3090，使用的docker镜像为nvcr.io/nvidia/tensorflow:21.09-tf1-py3，其中自带的tensorflow版本为1.15.5。另外，实验所用的bert4keras版本为0.11.3。其他环境也可以参考着弄，要注意有折腾精神，不要指望着无脑调用。

顺便提一下，3090、A100等卡只能用cuda11，而tensorflow官网的1.15版本是不支持cuda11的，如果还想用tensorflow 1.x，那么只能用nvidia亲自维护的nvidia-tensorflow，或者用其构建的docker镜像。用nvidia而不是google维护的tensorflow，除了能让你在最新的显卡用上1.x版本外，还有nvidia专门做的一些额外优化，具体文档可以参考这里。

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

在《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》中，我们提出了一个用于多标签分类的损失函数：
\begin{equation}\log \left(1 + \sum\limits_{i\in\Omega_{neg}} e^{s_i}\right) + \log \left(1 + \sum\limits_{j\in\Omega_{pos}} e^{-s_j}\right)\label{eq:original}\end{equation}
这个损失函数有着单标签分类中“Softmax+交叉熵”的优点，即便在正负类不平衡的依然能够有效工作。但从这个损失函数的形式我们可以看到，它只适用于“硬标签”，这就意味着label smoothing、mixup等技巧就没法用了。本文则尝试解决这个问题，提出上述损失函数的一个软标签版本。

巧妙联系

多标签分类的经典方案就是转化为多个二分类问题，即每个类别用sigmoid函数$\sigma(x)=1/(1+e^{-x})$激活，然后各自用二分类交叉熵损失。当正负类别极其不平衡时，这种做法的表现通常会比较糟糕，而相比之下损失$\eqref{eq:original}$通常是一个更优的选择。

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在文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们推导了一版具有熵不变性质的注意力机制：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{\kappa \log n}{d}QK^{\top}\right)V\label{eq:a}\end{equation}
可以观察到，它主要是往Softmax里边引入了长度相关的缩放因子$\log n$来实现的。原来的推导比较繁琐，并且做了较多的假设，不利于直观理解，本文为其补充一个相对简明快速的推导。

推导过程

我们可以抛开注意力机制的背景，直接设有$s_1,s_2,\cdots,s_n\in\mathbb{R}$，定义
$$p_i = \frac{e^{\lambda s_i}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{\lambda s_i}}$$

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众所周知，分类模型通常都是先得到编码向量，然后接一个Dense层预测每个类别的概率，而预测时则是输出概率最大的类别。但大家是否想过这样一种可能：训练好的分类模型可能存在“无法预测的类别”，即不管输入是什么，都不可能预测出某个类别$k$，类别$k$永远不可能成为概率最大的那个。

当然，这种情况一般只出现在类别数远远超过编码向量维度的场景，常规的分类问题很少这么极端的。然而，我们知道语言模型本质上也是一个分类模型，它的类别数也就是词表的总大小，往往是远超过向量维度的，那么我们的语言模型是否有“无法预测的词”？（只考虑Greedy解码）

是否存在

ACL2022的论文《Low-Rank Softmax Can Have Unargmaxable Classes in Theory but Rarely in Practice》首先探究了这个问题，正如其标题所言，答案是“理论上存在但实际出现概率很小”。

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$\text{logsumexp}$是机器学习经常遇到的运算，尤其是交叉熵的相关实现和推导中都会经常出现，同时它还是$\max$的光滑近似（参考《寻求一个光滑的最大值函数》）。设$x=(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，$\text{logsumexp}$定义为
\begin{equation}\text{logsumexp}(x)=\log\sum_{i=1}^n e^{x_i}\end{equation}
本文来介绍$\text{logsumexp}$的几个在理论推导中可能用得到的不等式。

基本界

记$x_{\max} = \max(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，那么显然有
\begin{equation}e^{x_{\max}} < \sum_{i=1}^n e^{x_i} \leq \sum_{i=1}^n e^{x_{\max}} = ne^{x_{\max}}\end{equation}
各端取对数即得
\begin{equation}x_{\max} < \text{logsumexp}(x) \leq x_{\max} + \log n\end{equation}

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一般来说，神经网络的输出都是无约束的，也就是值域为$\mathbb{R}$，而为了得到有约束的输出，通常是采用加激活函数的方式。例如，如果我们想要输出一个概率分布来代表每个类别的概率，那么通常在最后加上Softmax作为激活函数。那么一个紧接着的疑问就是：除了Softmax，还有什么别的操作能生成一个概率分布吗？

在《漫谈重参数：从正态分布到Gumbel Softmax》中，我们介绍了Softmax的重参数操作，本文将这个过程反过来，即先定义重参数操作，然后去反推对应的概率分布，从而得到一个理解概率分布构建的新视角。

问题定义

假设模型的输出向量为$\boldsymbol{\mu}=[\mu_1,\cdots,\mu_n]\in\mathbb{R}^n$，不失一般性，这里假设$\mu_i$两两不等。我们希望通过某个变换$\mathcal{T}$将$\boldsymbol{\mu}$转换为$n$元概率分布$\boldsymbol{p}=[p_1,\cdots,p_n]$，并保持一定的性质。比如，最基本的要求是：
\begin{equation}{\color{red}1.}\,p_i\geq 0 \qquad {\color{red}2.}\,\sum_i p_i = 1 \qquad {\color{red}3.}\,p_i \geq p_j \Leftrightarrow \mu_i \geq \mu_j\end{equation}

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最近Arxiv上的一篇论文《EXACT: How to Train Your Accuracy》引起了笔者的兴趣，顾名思义这是介绍如何直接以准确率为训练目标来训练模型的。正好笔者之前也对此有过一些分析，如《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》、《再谈类别不平衡问题：调节权重与魔改Loss的对比联系》等， 所以带着之前的研究经验很快完成了论文的阅读，写下了这篇总结，并附上了最近关于这个主题的一些新思考。

失实的例子

论文开头指出，我们平时用的分类损失函数是交叉熵或者像SVM中的Hinge Loss，这两个损失均不能很好地拟合最终的评价指标准确率。为了说明这一点，论文举了一个很简单的例子：假设数据只有$\{(-0.25,-1),(0,-1),(0.25,,1)\}$三个点，$-1$和$1$分别代表负类和正类，待拟合模型是$f(x)=x-b$，$b$是参数，我们希望通过$\text{sign}(f(x))$来预测类别。如果用“sigmoid + 交叉熵”，那么损失函数就是$-\log \frac{1}{1+e^{-l \cdot f(x)}}$，$(x,l)$代表一对标签数据；如果用Hinge Loss，则是$\max(0, 1 - l\cdot f(x))$。

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可能有读者留意到，这次更新相对来说隔得比较久了。事实上，在上周末时就开始准备这篇文章了，然而笔者低估了这个问题的难度，几乎推导了整整一周，仍然还没得到一个完善的结果出来。目前发出来的，仍然只是一个失败的结果，希望有经验的读者可以指点指点。

在文章《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》中，我们提出了一个多标签分类损失函数，它能自动调节正负类的不平衡问题，后来在《多标签“Softmax+交叉熵”的软标签版本》中我们还进一步得到了它的“软标签”版本。本质上来说，多标签分类就是“$n$个2分类”问题，那么相应的，“$n$个$m$分类”的损失函数又该是怎样的呢？

这就是本文所要探讨的问题。

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