神经网络架构搜索——可微分搜索（Noisy DARTS）

Noisy DARTS

小米实验室 AutoML 团队的NAS工作，针对现有DARTS框架在搜索阶段训练过程中存在 skip-connection 富集现象，导致最终模型出现大幅度的性能损失的问题，提出了通过向 skip-connection 注入噪声的方法，来抵消由于不公平竞争而导致的富集和性能损失问题，并且在 CIFAR-10 和 ImageNet 上分别取得了 97.61%和77.9% 的 SOTA 结果。

• 论文链接：http://arxiv.org/abs/2005.03566
• 源码链接：https://github.com/xiaomi-automl/NoisyDARTS

动机

目前 NAS 方法已经存在非常多，其中谷歌提出的 DARTS 方法，即可微分结构搜（Differentiable Architecture Search），引起了广大研究从业人员的关注与研究。但是DARTS 的可复现性不高，主要原因包括：

• 搜索过程中存在 skip-connection 富集现象，导致最终模型出现大幅度的性能损失问题。
• softmax离散化存在很大gap，结构参数最佳的操作和其他算子之间的区分度并不明显，这样选择的操作很难达到最优。

FairDARTS: Sigmoid函数替换Softmax函数

Softmax操作使不同操作之间的关系变为竞争关系，由于 skip connection 和其他算子的加和操作形成残差结构，这就导致了 skip connection 比其他算子有很大的优势，这种优势在竞争环境下表现为不公平优势并持续放大，而其他有潜力的操作受到排挤，因此任意两个节点之间通常最终会以 skip connection 占据主导，导致最终搜索出的网络性能严重不足。

FairDARTS 通过 sigmoid 使每种操作有自己的权重，这样鼓励不同的操作之间相互合作，最终选择算子的时候选择大于某个阈值的一个或多个算子，在这种情形下，所有算子的结构权重都能够如实体现其对超网性能的贡献，而且残差结构也得以保留，因此最终生成的网络不会出现性能崩塌，从而避免了原生 DARTS 的 skip-connection 富集而导致的性能损失问题。

a = array([0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9])
b = sigmod(a)
c = softmax(a)
b = array([0.52497919, 0.549834  , 0.57444252, 0.59868766, 0.62245933, 0.64565631, 0.66818777, 0.68997448, 0.7109495 ])
c = array([0.07205446, 0.0796325 , 0.08800752, 0.09726335, 0.10749263, 0.11879773, 0.13129179, 0.14509987, 0.16036016])

NoisyDARTS：skip-connection注入噪声

NoisyDARTS 是在 FairDARTS 基础上的推论，既然 skip connection 存在不公平优势，那么采用通过向 skip-connection 注入噪声的方法，来抵消由于不公平竞争而导致的富集和性能损失问题，并且在 CIFAR-10 和 ImageNet 上分别取得了 97.61% 和77.9% 的 SOTA 结果。

方法实现

如何加噪声？

加入怎样的噪声？

class Identity(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()

    def forward(self, x):
        return x + (0.1**0.5)*torch.randn_like(x) # add (0,0.1) Gaussian Noisy

实验结果

架构参数可视化

架构参数可视化

上图展示的是在 supernet 训练过程中，不同的操作在 softmax 下的权重变化，其中深绿色的线是 skip-connection 被 softmax 分配的权重。这张图中可以看到，normal cell中 的 skip-connection 数量被极大的消减了，同时保留了 reduction-cell 中的 skip-connection。

CIFAR-10实验结果

下图展示的是在 CIFAR-10 上，NoisyDARTS 与其他主流 NAS 方法相比的结果，其中 NoisyDARTS-A-t 是在 ImageNet上 训练得到的模型，迁移到 CIFAR-10 上训练得到的结果:

CIFAR-10实验结果

CIFAR-10 DARTS搜索结果

ImageNet实验结果

ImageNet实验结果

搜索结果

消融实验

有噪声 vs. 无噪声

有噪声 vs. 无噪声

无偏噪声 vs. 有偏噪声

无偏噪声 vs. 有偏噪声

高斯噪声 vs. 均匀噪声

高斯噪声 vs. 均匀噪声

加性噪声 vs. 乘法噪声

加性噪声 vs. 乘法噪声