最近，稀疏的培训方法已开始作为事实上的人工神经网络的培训和推理效率的方法。然而，这种效率只是理论上。在实践中，每个人都使用二进制掩码来模拟稀疏性，因为典型的深度学习软件和硬件已针对密集的矩阵操作进行了优化。在本文中，我们采用正交方法，我们表明我们可以训练真正稀疏的神经网络以收获其全部潜力。为了实现这一目标，我们介绍了三个新颖的贡献，这些贡献是专门为稀疏神经网络设计的：（1）平行训练算法及其相应的稀疏实现，（2）具有不可训练的参数的激活功能，以支持梯度流动，以支持梯度流量， （3）隐藏的神经元对消除冗余的重要性指标。总而言之，我们能够打破记录并训练有史以来最大的神经网络在代表力方面训练 - 达到蝙蝠大脑的大小。结果表明，我们的方法具有最先进的表现，同时为环保人工智能时代开辟了道路。

Sparse neural networks attract increasing interest as they exhibit comparable performance to their dense counterparts while being computationally efficient. Pruning the dense neural networks is among the most widely used methods to obtain a sparse neural network. Driven by the high training cost of such methods that can be unaffordable for a low-resource device, training sparse neural networks sparsely from scratch has recently gained attention. However, existing sparse training algorithms suffer from various issues, including poor performance in high sparsity scenarios, computing dense gradient information during training, or pure random topology search. In this paper, inspired by the evolution of the biological brain and the Hebbian learning theory, we present a new sparse training approach that evolves sparse neural networks according to the behavior of neurons in the network. Concretely, by exploiting the cosine similarity metric to measure the importance of the connections, our proposed method, Cosine similarity-based and Random Topology Exploration (CTRE), evolves the topology of sparse neural networks by adding the most important connections to the network without calculating dense gradient in the backward. We carried out different experiments on eight datasets, including tabular, image, and text datasets, and demonstrate that our proposed method outperforms several state-of-the-art sparse training algorithms in extremely sparse neural networks by a large gap. The implementation code is available on https://github.com/zahraatashgahi/CTRE

Many applications require sparse neural networks due to space or inference time restrictions. There is a large body of work on training dense networks to yield sparse networks for inference, but this limits the size of the largest trainable sparse model to that of the largest trainable dense model. In this paper we introduce a method to train sparse neural networks with a fixed parameter count and a fixed computational cost throughout training, without sacrificing accuracy relative to existing dense-tosparse training methods. Our method updates the topology of the sparse network during training by using parameter magnitudes and infrequent gradient calculations. We show that this approach requires fewer floating-point operations (FLOPs) to achieve a given level of accuracy compared to prior techniques. We demonstrate state-of-the-art sparse training results on a variety of networks and datasets, including ResNet-50, MobileNets on Imagenet-2012, and RNNs on WikiText-103. Finally, we provide some insights into why allowing the topology to change during the optimization can overcome local minima encountered when the topology remains static * .

深度学习在广泛的AI应用方面取得了有希望的结果。较大的数据集和模型一致地产生更好的性能。但是，我们一般花费更长的培训时间，以更多的计算和沟通。在本调查中，我们的目标是在模型精度和模型效率方面提供关于大规模深度学习优化的清晰草图。我们调查最常用于优化的算法，详细阐述了大批量培训中出现的泛化差距的可辩论主题，并审查了解决通信开销并减少内存足迹的SOTA策略。

Recent work in unsupervised feature learning and deep learning has shown that being able to train large models can dramatically improve performance. In this paper, we consider the problem of training a deep network with billions of parameters using tens of thousands of CPU cores. We have developed a software framework called DistBelief that can utilize computing clusters with thousands of machines to train large models. Within this framework, we have developed two algorithms for large-scale distributed training: (i) Downpour SGD, an asynchronous stochastic gradient descent procedure supporting a large number of model replicas, and (ii) Sandblaster, a framework that supports a variety of distributed batch optimization procedures, including a distributed implementation of L-BFGS. Downpour SGD and Sandblaster L-BFGS both increase the scale and speed of deep network training. We have successfully used our system to train a deep network 30x larger than previously reported in the literature, and achieves state-of-the-art performance on ImageNet, a visual object recognition task with 16 million images and 21k categories. We show that these same techniques dramatically accelerate the training of a more modestly-sized deep network for a commercial speech recognition service. Although we focus on and report performance of these methods as applied to training large neural networks, the underlying algorithms are applicable to any gradient-based machine learning algorithm.

While machine learning is traditionally a resource intensive task, embedded systems, autonomous navigation, and the vision of the Internet of Things fuel the interest in resource-efficient approaches. These approaches aim for a carefully chosen trade-off between performance and resource consumption in terms of computation and energy. The development of such approaches is among the major challenges in current machine learning research and key to ensure a smooth transition of machine learning technology from a scientific environment with virtually unlimited computing resources into everyday's applications. In this article, we provide an overview of the current state of the art of machine learning techniques facilitating these real-world requirements. In particular, we focus on deep neural networks (DNNs), the predominant machine learning models of the past decade. We give a comprehensive overview of the vast literature that can be mainly split into three non-mutually exclusive categories: (i) quantized neural networks, (ii) network pruning, and (iii) structural efficiency. These techniques can be applied during training or as post-processing, and they are widely used to reduce the computational demands in terms of memory footprint, inference speed, and energy efficiency. We also briefly discuss different concepts of embedded hardware for DNNs and their compatibility with machine learning techniques as well as potential for energy and latency reduction. We substantiate our discussion with experiments on well-known benchmark datasets using compression techniques (quantization, pruning) for a set of resource-constrained embedded systems, such as CPUs, GPUs and FPGAs. The obtained results highlight the difficulty of finding good trade-offs between resource efficiency and predictive performance.

深度学习领域目睹了对极端计算和内存密集型神经网络的显着转变。这些较新的较大模型使研究人员能够推进各种领域的最先进的工具。这种现象刺激了在更多的硬件加速器上产生了针对神经网络的分布式训练的算法。在本文中，我们讨论并比较了当前的最先进的框架，以实现大规模的分布式深度学习。首先，我们调查分布式学习中的当前实践，并确定所使用的不同类型的并行性。然后，我们提出了对大型图像和语言培训任务的性能进行了经验结果。此外，我们解决了他们的统计效率和内存消耗行为。根据我们的结果，我们讨论了阻碍性能的每个框架的算法和实现部分。

我们日常生活中的深度学习是普遍存在的，包括自驾车，虚拟助理，社交网络服务，医疗服务，面部识别等，但是深度神经网络在训练和推理期间需要大量计算资源。该机器学习界主要集中在模型级优化（如深度学习模型的架构压缩），而系统社区则专注于实施级别优化。在其间，在算术界中提出了各种算术级优化技术。本文在模型，算术和实施级技术方面提供了关于资源有效的深度学习技术的调查，并确定了三种不同级别技术的资源有效的深度学习技术的研究差距。我们的调查基于我们的资源效率度量定义，阐明了较低级别技术的影响，并探讨了资源有效的深度学习研究的未来趋势。

Continual Learning (CL) is a field dedicated to devise algorithms able to achieve lifelong learning. Overcoming the knowledge disruption of previously acquired concepts, a drawback affecting deep learning models and that goes by the name of catastrophic forgetting, is a hard challenge. Currently, deep learning methods can attain impressive results when the data modeled does not undergo a considerable distributional shift in subsequent learning sessions, but whenever we expose such systems to this incremental setting, performance drop very quickly. Overcoming this limitation is fundamental as it would allow us to build truly intelligent systems showing stability and plasticity. Secondly, it would allow us to overcome the onerous limitation of retraining these architectures from scratch with the new updated data. In this thesis, we tackle the problem from multiple directions. In a first study, we show that in rehearsal-based techniques (systems that use memory buffer), the quantity of data stored in the rehearsal buffer is a more important factor over the quality of the data. Secondly, we propose one of the early works of incremental learning on ViTs architectures, comparing functional, weight and attention regularization approaches and propose effective novel a novel asymmetric loss. At the end we conclude with a study on pretraining and how it affects the performance in Continual Learning, raising some questions about the effective progression of the field. We then conclude with some future directions and closing remarks.

现代深度学习模型通常在分布式机器集合中并行培训，以减少训练时间。在这种情况下，机器之间模型更新的通信变成了一个重要的性能瓶颈，并且已经提出了各种有损的压缩技术来减轻此问题。在这项工作中，我们介绍了一种新的，简单但理论上和实践上有效的压缩技术：自然压缩（NC）。我们的技术分别应用于要进行压缩的更新向量的所有条目，并通过随机舍入到两个的（负或正）两种功能，可以通过忽略Mantissa来以“自然”方式计算。我们表明，与没有压缩相比，NC将压缩向量的第二刻增加不超过微小因子$ \ frac {9} {8} $，这意味着NC对流行训练算法的收敛速度的影响，例如分布式SGD，可以忽略不计。但是，NC启用的通信节省是可观的，导致$ 3 $ - $ 4 \ times $ $改善整体理论运行时间。对于需要更具侵略性压缩的应用，我们将NC推广到自然抖动，我们证明这比常见的随机抖动技术要好得多。我们的压缩操作员可以自行使用，也可以与现有操作员结合使用，从而产生更具侵略性的结合效果，并在理论和实践中提供新的最先进。

TensorFlow is a machine learning system that operates at large scale and in heterogeneous environments. Tensor-Flow uses dataflow graphs to represent computation, shared state, and the operations that mutate that state. It maps the nodes of a dataflow graph across many machines in a cluster, and within a machine across multiple computational devices, including multicore CPUs, generalpurpose GPUs, and custom-designed ASICs known as Tensor Processing Units (TPUs). This architecture gives flexibility to the application developer: whereas in previous "parameter server" designs the management of shared state is built into the system, TensorFlow enables developers to experiment with novel optimizations and training algorithms. TensorFlow supports a variety of applications, with a focus on training and inference on deep neural networks. Several Google services use TensorFlow in production, we have released it as an open-source project, and it has become widely used for machine learning research. In this paper, we describe the TensorFlow dataflow model and demonstrate the compelling performance that Tensor-Flow achieves for several real-world applications.

培训广泛和深度神经网络（DNN）需要大量的存储资源，例如内存，因为在转发传播期间必须在存储器中保存中间激活数据，然后恢复以便向后传播。然而，由于硬件设计约束，诸如GPU之类的最先进的加速器（例如GPU）仅配备了非常有限的存储容量，这显着限制了在训练大规模DNN时的最大批量大小和性能加速。传统的记忆保存技术均受性能开销或受限互连带宽或特定互连技术的约束。在本文中，我们提出了一种新颖的记忆高效的CNN训练框架（称为Comet），利用错误界限的损耗压缩来显着降低训练的内存要求，以允许培训更大的模型或加速培训。不同于采用基于图像的有损压缩机（例如JPEG）的最先进的解决方案来压缩激活数据，我们的框架故意采用严格的错误控制机制来采用错误界限的损耗压缩。具体而言，我们对从改变的激活数据传播到梯度的压缩误差传播的理论分析，并经验探讨改变梯度对训练过程的影响。基于这些分析，我们优化了误报的损耗压缩，并提出了一种用于激活数据压缩的自适应误差控制方案。我们评估我们对最先进的解决方案的设计，其中包含五个广泛采用的CNN和Imagenet DataSet。实验表明，我们所提出的框架可以在基线训练中显着降低13.5倍，并分别在另一个最先进的基于压缩框架上的1.8倍，几乎没有准确性损失。

深度神经网络（DNN）在解决许多真实问题方面都有效。较大的DNN模型通常表现出更好的质量（例如，精度，精度），但它们的过度计算会导致长期推理时间。模型稀疏可以降低计算和内存成本，同时保持模型质量。大多数现有的稀疏算法是单向移除的重量，而其他人则随机或贪婪地探索每层进行修剪的小权重子集。这些算法的局限性降低了可实现的稀疏性水平。此外，许多算法仍然需要预先训练的密集模型，因此遭受大的内存占地面积。在本文中，我们提出了一种新颖的预定生长和修剪（间隙）方法，而无需预先培训密集模型。它通过反复生长一个层次的层来解决以前的作品的缺点，然后在一些训练后修剪回到稀疏。实验表明，使用所提出的方法修剪模型匹配或击败高度优化的密集模型的质量，在各种任务中以80％的稀疏度，例如图像分类，客观检测，3D对象分段和翻译。它们还优于模型稀疏的其他最先进的（SOTA）方法。作为一个例子，通过间隙获得的90％不均匀的稀疏resnet-50模型在想象中实现了77.9％的前1个精度，提高了先前的SOTA结果1.5％。所有代码将公开发布。

关于稀疏神经网络训练（稀疏训练）的最新研究表明，通过从头开始训练本质上稀疏的神经网络可以实现绩效和效率之间的令人信服的权衡。现有的稀疏训练方法通常努力在一次跑步中找到最佳的稀疏子网，而无需涉及任何昂贵的密集或预训练步骤。例如，作为最突出的方向之一，动态稀疏训练（DST）能够通过在训练过程中迭代发展稀疏拓扑来实现竞争性训练的竞争性能。在本文中，我们认为最好分配有限的资源来创建多个低损失的稀疏子网并将其超级置于更强的基因，而不是完全分配所有资源以找到单个子网络。为了实现这一目标，需要两个Desiderata：（1）在一个培训过程中有效生产许多低损失的子网，即所谓的廉价门票，仅限于用于密集培训的标准培训时间； （2）将这些廉价的门票有效地超级为一个更强的子网，而无需超越约束参数预算。为了证实我们的猜想，我们提出了一种新颖的稀疏训练方法，称为\ textbf {sup-tickets}，可以在单个稀疏到较小的训练过程中同时满足上述两个desiderata。在CIFAR-10/100和Imagenet上的各种现代体系结构中，我们表明，SUP-Tickets与现有的稀疏训练方法无缝集成，并显示出一致的性能提高。

修剪是稀疏深神经网络的任务，最近受到了越来越多的关注。尽管最先进的修剪方法提取了高度稀疏的模型，但它们忽略了两个主要挑战：（1）寻找这些稀疏模型的过程通常非常昂贵； （2）非结构化的修剪在GPU记忆，训练时间或碳排放方面没有提供好处。我们提出了通过梯度流量保存（早期CROP）提出的早期压缩，该压缩在训练挑战（1）的培训（1）中有效提取最先进的稀疏模型，并且可以以结构化的方式应用来应对挑战（2）。这使我们能够在商品GPU上训练稀疏的网络，该商品GPU的密集版本太大，从而节省了成本并减少了硬件要求。我们从经验上表明，早期杂交的表现优于许多任务（包括分类，回归）和域（包括计算机视觉，自然语言处理和增强学习）的丰富基线。早期杂交导致准确性与密集训练相当，同时超过修剪基线。

神经网络的外包计算允许用户访问艺术模型的状态，而无需投资专门的硬件和专业知识。问题是用户对潜在的隐私敏感数据失去控制。通过同性恋加密（HE）可以在加密数据上执行计算，而不会显示其内容。在这种知识的系统化中，我们深入了解与隐私保留的神经网络相结合的方法。我们将更改分类为神经网络模型和架构，使其在他和这些变化的影响方面提供影响。我们发现众多挑战是基于隐私保留的深度学习，例如通过加密方案构成的计算开销，可用性和限制。

基于深度学习的模型占主导地位的生产推荐系统的当前景观。此外，近年来目睹了模型规模的指数增长 - 从谷歌的2016年模型，最新的Facebook的型号有10亿个参数，具有12万亿参数。型号容量的每次跳跃都有显着的质量增强，这使我们相信100万亿参数的时代即将来临。然而，即使在工业规模数据中心内，这些模型的培训也在挑战。这种困难是从训练计算的惊人的异质性继承 - 模型的嵌入层可以包括总模型尺寸的99.99％，这是极其内存密集的;虽然其余的神经网络越来越多地计算密集型。为支持培训此类巨大模式，迫切需要有效的分布式培训系统。在本文中，我们通过仔细共同设计优化算法和分布式系统架构来解决这一挑战。具体而言，为了确保培训效率和训练精度，我们设计一种新型混合训练算法，其中嵌入层和密集的神经网络由不同的同步机制处理;然后，我们构建一个名为Persia的系统（短暂的并行推荐培训系统，其中包含混合加速），以支持这种混合培训算法。理论上的示范和实证研究均达到100万亿参数，以证明了波斯的系统设计和实施。我们将Pensia公开使用（在https://github.com/persiamml/persia），以便任何人都能够以100万亿参数的规模轻松培训推荐模型。

由于稀疏神经网络通常包含许多零权重，因此可以在不降低网络性能的情况下潜在地消除这些不必要的网络连接。因此，设计良好的稀疏神经网络具有显着降低拖鞋和计算资源的潜力。在这项工作中，我们提出了一种新的自动修剪方法 - 稀疏连接学习（SCL）。具体地，重量被重新参数化为可培训权重变量和二进制掩模的元素方向乘法。因此，由二进制掩模完全描述网络连接，其由单位步进函数调制。理论上，从理论上证明了使用直通估计器（STE）进行网络修剪的基本原理。这一原则是STE的代理梯度应该是积极的，确保掩模变量在其最小值处收敛。在找到泄漏的Relu后，SoftPlus和Identity Stes可以满足这个原理，我们建议采用SCL的身份STE以进行离散面膜松弛。我们发现不同特征的面具梯度非常不平衡，因此，我们建议将每个特征的掩模梯度标准化以优化掩码变量训练。为了自动训练稀疏掩码，我们将网络连接总数作为我们的客观函数中的正则化术语。由于SCL不需要由网络层设计人员定义的修剪标准或超级参数，因此在更大的假设空间中探讨了网络，以实现最佳性能的优化稀疏连接。 SCL克服了现有自动修剪方法的局限性。实验结果表明，SCL可以自动学习并选择各种基线网络结构的重要网络连接。 SCL培训的深度学习模型以稀疏性，精度和减少脚波特的SOTA人类设计和自动修剪方法训练。

修剪深度神经网络的现有方法专注于去除训练有素的网络的不必要参数，然后微调模型，找到恢复训练模型的初始性能的良好解决方案。与其他作品不同，我们的方法特别注意通过修剪神经元的压缩模型和推理计算时间的解决方案的质量。通过探索Hessian的光谱半径，所提出的算法通过探索Hessian的光谱半径来指示压缩模型的参数，这导致了更好地推广了未经看涨的数据。此外，该方法不适用于预先训练的网络，并同时执行训练和修剪。我们的结果表明，它改善了神经元压缩的最先进的结果。该方法能够在不同神经网络模型上实现具有小精度下降的非常小的网络。

神经网络体系结构的定义是执行最关键和最具挑战性的任务之一。在本文中，我们提出了平行密码。ParallelMLPS是一种可以通过探索现代CPU和GPU的局部性和并行功能的原理来实现具有不同数量神经元和激活功能的几个独立多层感知神经网络的训练。该技术的核心思想是使用修改的矩阵乘法，该矩阵乘法将序数矩阵乘法替换为两个简单的矩阵操作，这些矩阵操作允许梯度流动的单独且独立的路径，可以在其他情况下使用。我们已经在模拟数据集中评估了我们的算法，该数据集使用10,000种不同的模型来改变样品，功能和批次的数量。如果与顺序方法相比，我们实现了从1到4个数量级的训练速度。