为什么神经网络难训练

unityloverz

1.优化（Optimization）目标与训练（Training）目标不一致

在训练神经网络时，我们是在优化一个损失函数（loss function），但我们训练神经网络最终关心的是在测试集上准确性（test accuracy）。 这2者的不一致，导致了经常会出现一些反常的结果，比如：

• test loss和test accuracy的不一致。
  

有时候test loss和test accuracy的变化不一致：有时候test loss增加了，但test accuracy也增加了

• 过拟合
  

所以你即便在优化的时候做到了最好（loss很小），也没法确定模型是被训练好了（在测试集上的准确度高）。

1.1 训练结果有随机性，而且无法避免

训练结果的随机性是指  每次训练结果都不一致（所以论文中的最终结果经常需要汇报平均值和并标准差）。
这就导致了我们很难比较2个优化算法的最终训练效果（因为随机性，有时候A好，有时候B好），所以很难说“选取某个优化算法，使得我们能训练好一个模型”，指不定还有其它某个优化算法，在某些情况下能训练得更好呢？
这个例子就可以很好说明训练的难点：

2.优化算法和超参数的选择

2.1 在训练神经网络时，经常需要从一大堆优化算法里面选

这几年学术界大概发明了有近百种优化算法。那么问题来了，用哪个优化算法，训练效果最好？


所以为了公平比较各优化算法的结果，需要在一个Benchmark上进行比较（比如MLCommons）。详见第3部分。
2.2 每个优化算法，都有超参数要调




Adma优化算法有4个超参数（有的人把最底下那个\epsilon也算成超参数了）

所以需要一个debugging tools去调，比如Cockpit。
3.Benchmarking Training Algorithms

为了对比一堆优化算法，需要一个Benchmark。

Benchmark is dedicated to answer: How would you decide whether training algorithm A is better than training algorithm B?

3.1 难点

• 我们试图比较2个优化算法的好坏，但其实很难定义什么是“更好”：test accuracy更高？训练速度更快？还是训练结果更鲁棒？
  
• 训练结果有很强的随机性，所有难以确定对比结果是否显著：同一组超参数，有时算法A的准确率更高，有时算法B更高。我们可以进行多次训练，并对其进行平均。但是计算成本也会增加。
  
• 我们希望算法的“好坏”更通用一些，而不只关心在某一个数据集上的结果。所以需要在多个数据集上比较。
  
• 往往训练流程的不同部分之间存在一些相互作用（例如超参数、模型结构），而且很难完全分隔开。
  
• 我们无法比较一类算法，只能比较具体的实例。比如SGD加Momentum是一类算法，但我们只能比较ρ = 0.9 and ρ = 0.0这2种实例的结果。
  

3.2 The Benchmarking Process

为了公平起见，需要从多个维度上比较优化结果，比如不同优化问题（数据集）、fine-tuning方法、learning rate scheduler下的结果。



以这4个维度为例

但有很多维度，而且每个维度下选择太多了，所以一般选择其中具有代表性的来比较。以上面4个为例：



不同优化器



不同数据集



fine-tuning的大小



不同learning rate scheduler

总共有1920种超参数配置（configuration），运行50000多次。最后的结果往往是某个优化算法在某个指标上比较好，但在其它指标上又不好。ADAM在所有指标里都比较靠前，但又不绝对。


所以暂时没有哪个优化算法是”最优“的。

目前没有人有100%的把握能训练好一个大模型，哪怕是谷歌OpenAI的人也不行。但可以肯定是，有钞能力，能探索的范围更多，结果会更好。不过也有一些常用的训练技巧，也有助于加快训练，比如设置learning rate scheduler等等。

4.Reference