专访微软Greg Yang，构建神经网络的底层语言，探索AI的“万物理论”

来源：智源社区

为了进一步解读这一工作背后的意义，智源社区采访了论文一作、微软研究院高级研究员Greg Yang（杨格）。采访中，我们不仅了解了µTransfer的背景，以及项目背后更为远大的目标，也了解到了Greg本人奇特的跨界人生。

图注：Greg Yang

01

从DJ到研究数学：在自由探索中对AI产生兴趣

1.在哈佛期间两度休学，寻找方向

出于对数学的兴趣，Greg一开始就进入了哈佛大学数学系。由于哈佛大学有着非常宽容的休学政策——学生可以随时离开校园，也可以随时回来——Greg下定决心，在读完大二后选择追求音乐之路。

图注：Greg在哈佛大一时表演架子鼓

在一年半的时间中，他从生活的“仓鼠笼”中走出来，好好规划自己的人生。这段时间他可以尽情探索自己的兴趣。

图注：成为DJ的Greg

Greg在这期间得出了以下结论：

1. 他将致力于实现通用人工智能（AGI）：能够制造一个比自己还要聪明的东西，并淘汰掉他自己，是一个“intellectually”极其激动的事情。

2. 他对数学有着内在的激情：由于一系列可预测的课程、作业和竞赛等，他对学习和研究数学的热情变得麻木了。但这次休学让他恢复了往日对数学这一学科的热爱。

3. 数学是我们现实的底层逻辑：它是一切科学和工程的基础语言（Foundation Language），而重大的突破，往往来自揭示问题背后的一些隐藏着的数学结构。即使是不怕数学本身，就能够提供足够的自信，来尝试解决困难的问题，提出新的点子。

休学一年半后，Greg回到哈佛，出版了自己的第一篇论文。之后他再次休学，完成阅读教科书等方面的事情。

在第二次休学期间，深度学习开始快速发展，他痴迷于研究神经图灵机，并借鉴了可微拓扑学中的思路，提出了“Lie Access Neural Turing Machine”，并发表在ICLR上。

同样在那段时期，他发现代数拓扑学和学习理论中的一个有趣的联系。例如，VC维（Vapnik–Chervonenkis Dimension）描述学习一个任务的困难程度的方法，但可以被一个和任务有关的拓扑空间中的“洞”的维度所捕捉到。这种联系可以帮助证明一些计算复杂度的问题。当时他不知道的是，这个研究会成为他职业生涯的起点

2.机缘巧合，师从丘成桐，与弗里德曼和沈向洋结缘

第二次休学两年后，Greg回到哈佛。每个学期，数学系会为每个学生随机指定一位学术导师。他导师是获得了1982年菲尔兹奖的丘成桐。他表示，当时他根本没有意识到日后丘成桐带来的影响。

在一次例行会议上，Greg告诉丘成桐他正在写的这篇关于代数拓扑和学习理论的论文。Greg对丘成桐的早期印象是：“有着很重口音的英语，表情十分平静”，在这会议上让他很难悟解丘成桐对他研究的看法。但此后丘成桐开始带他去很多活动，与PhD学生和研究者会面，甚至还推荐他申请摩根奖（Morgan Prize），这是对本科数学家而言能够获得的最高荣誉，最终他获得了提名。

图注：Greg与美国数学家、摩根奖的发起者Frank Morgan的合影

丘成桐的推荐也影响了Greg的职业路径。

毕业前，他申请了谷歌大脑的实习，但offer还未下来，需要在学校多待一段时间。丘成桐得知后提议：“试试微软怎么样？（How about Microsoft？）”

在老师的推荐下，Greg收到了时任执行副总裁沈向洋的邮件，在与微软新英格兰研究院主管Jennifer Chayes沟通后，他联系上了另一位菲尔茨奖得主——迈克尔·弗里德曼。

也许是因为两人都是在计算领域研究的拓扑学家，也许是因为两人性格上都是“数学领域的冲浪好手”，与弗里德曼的交流很有共鸣。一周后，沈向洋向他发出了加入微软的邀请：“有两位菲尔茨奖得主推荐你，我要是再拒绝就显得太傻了，不是吗？”

就这样，Greg在2017年全职加入微软雷蒙德研究院，并在那里从事研究至今。

谈及这样的经历，Greg表示，这是一件非常幸运的是，毫不夸张地说，甚至是百万分之一概率的事情——如果当初丘成桐没有随机成为他的导师就不可能有今天。当然，他所做的研究足够好，也是沈向洋能够选择他的原因。

02

µTransfer：大模型超参数的“以小见大”

近日，微软研究院团队联合OpenAI提出了Efficient Hyperparameter Tuning（µTransfer）的方法。但是在采访中，Greg解释了µTransfer项目背后的长远目标——用数学的语言，建立能够描述和分析神经网络架构的底层编程语言，即Tensor Programs。

1.背景：不确定且高成本的大模型调参

模型的超参数配置，在模型规模扩大时，不一定是最优的。大模型也需要找到合适的超参数配置，否则模型可能无法训练得符合性能需求。

图注：在不同的神经网络宽度下，学习率（log_2）和训练损失之间变化情况。不同宽度的网络可能有着不同的最优超参，更宽的网络不一定会比窄的网络性能更好。

但是，由于模型过于庞大，很多中小研究团队的成本只够训练一两次模型。由于研究团队或多或少会“把所有鸡蛋都放在一个篮子里”，任何在预训练阶段背离训练目标的问题，都会带来巨大的时间和成本消耗。

例如，GPT-3论文就提到，虽然训练过程中有一个Bug，但是他们无法再重训模型，只能忽视这个问题。此外，选错了超参数，也会带来非常严重的资源浪费。有时候，错误的超参数设置可能会使模型在训练一个月后才发现配置有问题。

因此，在训练大模型时，超参数的配置总会面临一些不确定因素，而且研究者很难通过多次训练来确保超参配置是正确的。

为了解决这个问题，µTransfer应运而生。

2.µTransfer：建立模型规模扩大时的超参变化规则

µTransfer的思路并不复杂：µTransfer是一种在改变神经网络宽度过程中，同时改变其对应的初始化权重、学习率等超参数的规则。其特别之处在于，如果在一个“窄”的模型中找到了合适的超参配置（初始化、学习率、动量，甚至是每一层的超参组和），µTransfer就能够推导出更大版本的模型下，接近于最优的超参数配置。

图注：µTransfer的基本思路

这样一来，在为超大规模模型寻找合适的超参数时，研究人员可以先从该种架构的小规模版本模型上找到合适的超参数，然后用µTransfer的方法扩大到对应的更大规模版本上。这意味着，研究者能够在小模型上找到一组超参，然后通过一定的规则，推导出大模型下的超参配置，而不需要对大模型进行训练并寻找最优参数。在这一过程中，激活规模（Activation Scales）能够保持稳定。

图注：模型宽度增长时，在PyTorch的默认超参和µTransfer超参调整下，模型激活规模的变化情况

在这里，激活（Activations）指的是神经网络的一个层的向量输出的元素（Vector Output），而激活规模指的是此向量元素的标准差或平均绝对值。

当模型的宽度增加时，保持激活规模的稳定非常重要，原因在于两点：

1. 如果激活规模不稳定，激活最终会变得无法被低精度浮点数（如FP16）所表示，这会导致在训练一个大的模型时，出现很多NaNs，导致训练的中断；

2. 当宽度趋近无限时，保持激活稳定对于找到一个合理的超参数范围很重要，也是超参数迁移的必要条件。

3.证明µTransfer的正确性：保持稳定的超参变化

怎样证明µTransfer是最大化特征学习的最优？可以从理论和实践两个方面验证。理论上，正确的参数化方法应该是独一无二的，即使是在模型规模变化的时候，依然能够保持最优的学习率、初始化权重和其他训练超参数。但错误的参数化方法，会让超参数在模型规模变大的过程中逐渐趋向无限或0。

而在实践中，如果能够找到某一种模型在特定规模下的最优化参数，在模型规模发生变化的过程中，也应当能维持最优配置，模型也保持最优的性能。

03

µTransfer背后的远大项目：建立描述神经网络架构的统一编程语言Tensor Programs

Greg表示，µTransfer仅仅只是其Tensor Programs项目的一个成果，但团队背后更期望的是找到一种合适的“低层编程语言”，分析并描述神经网络的函数，即Tensor Programs。

1.低层神经网络描述语言：Tensor Programs

在AI领域，有一个问题长期以来被研究者所忽视：怎样能够为不同架构的模型都找到合适的初始化配置？换言之，是否有一个统一的规则，能够根据模型的架构，分析出其最优的初始化超参数配置，确保模型训练的稳定性？

Greg认为，长期以来这一问题没有被研究者完全解决。在2017年的时候，默认的初始化都是从粗糙的启发式方法中得出的，保证每个神经网络层的激活与网络的宽和深保持稳定。在当时，研究者每提出一个新的架构，都需要单独撰写初始化策略——因为没有一个通用的方法，能够分析出新网络所需的初始化策略。

在尝试统一不同神经网络架构的初始化启发方法时，Greg发现：存在一种“低层编程语言”，仅由矩阵乘法(Matrix Multiplication）和激活函数(Coordinatewise Nonlinearities)组成。如果神经网络函数能够使用这种语言表达，就可以自动且完备地进行初始化分析，这一语言被称为Tensor Programs（TP）。

例如，“神经网络-高斯过程”的对应，即“无限宽随机神经网络是高斯过程”，源于研究者对于一些简单架构的神经网络的观察和研究。TP的一项研究证明，这种与高斯过程的对应关系，可以扩大到任何架构的神经网络上。(见论文：Tensor Programs I: Wide Feedforward or Recurrent Neural Networks of Any Architecture are Gaussian Processes)

2.Tensor Programs的潜力：分析神经网络的最佳学习状态

以上说明了TP可以像ONNX一样能够表示任何神经网络架构，但很快地，Greg意识到TP更像PyTorch，其实能够表达整个神经网络的训练算法。这种强大的表达性可以用来分析神经网络训练后的状态。

他比喻说，“就像由简单水分子构成的水，在不同的温度下有不同的状态，而这不同状态的背后，是水分子之间也表现出的不同结构。”类比而言，我们也可以想象：在不同的学习率和初始化权重下，神经网络可能呈现出的不同状态。而不同的参数设置，在网络宽度增加时，对于网络的行为的影响也不一样。

通过此顿悟，Greg提出了一种无限宽神经网络极限的分类，能够推导出无限宽神经网络的最大特征学习极限，并衍生出了“最大更新参数化”（Maximal Update Parametrization，即µ-Parametrization）。这是 µTransfer的理论基础。

在这项研究刚开始的2019年，很多“无限宽神经网络是核机器”的研究涌现，从理论上显示，宽神经网络的行为，在默认的（PyTorch或TensorFlow风格）参数化条件下，是核机器（Kernel Machine）。这种核机器状态下的神经网络就像是水的凝固态——冰。非常坚固，有着固定的结构，对应着一些固定的、而非可学习的特征。而µ-Parametrization的特征学习状态更像是流体——对于环境（如数据）有着适应性。

图注：目前已经发表的TP论文

3.Tensor Programs的未来：探索AI研究的“万物理论”

谈及未来Tensor Programs的发展，他期待，团队可以在现有工作的基础上，解决其他维度的模型规模问题，比如模型的深度、MoE架构中专家的数量等——即，从理论上找到无限规模（比如无限深、无限专家数量，甚至是无限宽-深-专家数）的神经网络的基线，并得出对应规模下的超参数迁移规则。

Greg认为，Tensor Programs依然有足够的潜力来影响深度学习，特别是大型基础模型的实践工作，这一工作在他看来，就如同去寻找AI中的“万物理论”。

被问及在超大规模模型中的研究机会，Greg认为，这就像是21世纪的曼哈顿计划一样，其规模如此庞大，纯用实验-试错方法是很难来推动的。他认为，可以通过借鉴无限宽神经网络理论，来理解这种超大参数规模模型的行为。由于目前的理论与实践之间仍存在着鸿沟，这对于年轻研究者而言是一个机会。

Greg列举了8个可以在大模型领域持续探究的基础问题：

1. 实现正则化超参数的迁移：这对于大模型在小数据集上的微调非常重要，因为模型可能会过拟合数据。

2. 能否找到所有可能的无限规模神经网络极限？“规模”可以包括宽、深、专家数、序列长度等；

3. 能否跨宽、深、专家数、序列长度等迁移超参数？

4. 能否跨数据集迁移超参数？

5. 能否迁移模型结构和优化器选择？

6. 从极其小的神经网络模型迁移超参数的方法，如只有10个神经元的网络；

7. 将一个小神经网络超高清地放大到一个更大更高性能的网络上；

8. 给定用于预训练的固定 FLOPs 预算，权衡模型宽度、深度、训练时间、序列长度等的最佳方法是什么？

04

给年轻人的职业建议

Greg认为，他的职业发展经历并不典型，但他也提出了一些个人的职业发展建议：

• 在你大学的早年阶段，在你想研究和投入的任何领域打下坚实的基础。

• 在学校中要认识各种各样的人，并向他们学习。大学最大的好处不是受到的教育，而是接触到的人。

• 找到自己独有的技能，并专注于发展你的优势

• 一旦拥有强大的基础和独特的技能，就对自己充满信心。

• 不要害怕怀有一个宏伟的长期愿景并执行它。

• 下注。不管是什么领域，无论是不是做研究，合理地分配时间和精力都存在着不确定性。使用你独特的技能，尽可能减少不确定性，向着最好的方向，怀着信念前进。

• 无论处于职业的哪个阶段，都要谦虚，向他人学习。

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