图表卷积网络（GCN）已成功应用于许多基于图形的应用程序。然而，培训大规模的GCN模型仍然具有挑战性：由于GCN架构的节点依赖性和层依赖性，培训过程中需要大量的计算时间和内存。在本文中，我们提出了一种基于乘法器（ADMM）的交替方向方法的平行和分布式GCN训练算法，同时解决两个挑战。我们首先将GCN层分成独立块以实现层并行性。此外，通过将图形划分为几个密集的社区来降低节点依赖性，使得它们中的每一个可以并行地用代理训练。最后，我们为基于社区的ADMM算法中的所有子问题提供了解决方案。初步结果表明，我们所提出的基于社区的ADMM培训算法可能导致三倍超速，同时与最先进的方法相比，实现了最佳性能。

作为众所周知的优化框架，乘法器（ADMM）的交替方向方法在许多分类和回归应用中取得了巨大的成功。最近，它引起了深度学习研究人员的注意，被认为是梯度下降（GD）的潜在替代品。然而，作为新兴领域，一些挑战仍未解决，包括1）缺乏全球收敛保证，2）对解决方案的收敛缓慢，以及3）立方时间复杂于特征尺寸。在本文中，我们提出了一种新颖的优化框架，以通过ADMM（DLADMM）解决一般神经网络训练问题，同时解决这些挑战。具体地，每层中的参数被向后更新，然后向前移动，以便有效地交换每层中的参数信息。当DLADMM应用于特定架构时，通过使用二次近似和回溯技术，通过专用算法设计从立方到二次数据的时间复杂度。最后但并非最不重要的是，我们在温和条件下向第一个趋同的趋同点提供延长的临界点（DLADMM）。七个基准数据集的实验证明了我们提出的DLADMM算法的收敛性，效率和有效性。

Graph convolutional network (GCN) has been successfully applied to many graph-based applications; however, training a large-scale GCN remains challenging. Current SGD-based algorithms suffer from either a high computational cost that exponentially grows with number of GCN layers, or a large space requirement for keeping the entire graph and the embedding of each node in memory. In this paper, we propose Cluster-GCN, a novel GCN algorithm that is suitable for SGD-based training by exploiting the graph clustering structure. Cluster-GCN works as the following: at each step, it samples a block of nodes that associate with a dense subgraph identified by a graph clustering algorithm, and restricts the neighborhood search within this subgraph. This simple but effective strategy leads to significantly improved memory and computational efficiency while being able to achieve comparable test accuracy with previous algorithms. To test the scalability of our algorithm, we create a new Amazon2M data with 2 million nodes and 61 million edges which is more than 5 times larger than the previous largest publicly available dataset (Reddit). For training a 3-layer GCN on this data, Cluster-GCN is faster than the previous state-of-the-art VR-GCN (1523 seconds vs 1961 seconds) and using much less memory (2.2GB vs 11.2GB). Furthermore, for training 4 layer GCN on this data, our algorithm can finish in around 36 minutes while all the existing GCN training algorithms fail to train due to the out-of-memory issue. Furthermore, Cluster-GCN allows us to train much deeper GCN without much time and memory overhead, which leads to improved prediction accuracy-using a 5-layer Cluster-GCN, we achieve state-of-the-art test F1 score 99.36 on the PPI dataset, while the previous best result was 98.71 by [16]. Our codes are publicly available at https://github.com/google-research/google-research/ tree/master/cluster_gcn.

过度平滑是一个具有挑战性的问题，这会降低深图卷积网络（GCNS）的性能。然而，用于缓解过度平滑问题的现有研究缺乏一般性或有效性。在本文中，我们分析了过度平滑问题背后的潜在问题，即特征 - 多样性退化，梯度消失和模型重量衰减。灵感来自于此，我们提出了一个简单而有效的即插即用模块，速度，缓解过度平滑。具体地，对于GCN模型的每个中间层，随机地（或基于节点度）选择节点以通过直接向非线性函数馈送它们的输入特征来跳过卷积操作。分析，1）跳过卷积操作可以防止特征失去多样性; 2）“跳过”节点使能梯度直接传递回来，从而减轻梯度消失和模型权重过腐蚀问题。为了展示Skipnode的优越性，我们对九个流行的数据集进行了广泛的实验，包括同性恋和异化图，在两个典型的任务上具有不同的图表大小：节点分类和链路预测。具体而言，1）SkipNode具有适应不同数据集和任务的各种基于GCN的模型的普遍性。 2）Skipnode优于最近最先进的反平滑插头 - 播放模块，即DropEdge和Dropnode，在不同的设置中。代码将在GitHub上公开提供。

图形神经网络（GNNS）由于图形数据的规模和模型参数的数量呈指数增长，因此限制了它们在实际应用中的效用，因此往往会遭受高计算成本。为此，最近的一些作品着重于用彩票假设（LTH）稀疏GNN，以降低推理成本，同时保持绩效水平。但是，基于LTH的方法具有两个主要缺点：1）它们需要对密集模型进行详尽且迭代的训练，从而产生了极大的训练计算成本，2）它们仅修剪图形结构和模型参数，但忽略了节点功能维度，存在大量冗余。为了克服上述局限性，我们提出了一个综合的图形渐进修剪框架，称为CGP。这是通过在一个训练过程中设计在训练图周期修剪范式上进行动态修剪GNN来实现的。与基于LTH的方法不同，提出的CGP方法不需要重新训练，这大大降低了计算成本。此外，我们设计了一个共同策略，以全面地修剪GNN的所有三个核心元素：图形结构，节点特征和模型参数。同时，旨在完善修剪操作，我们将重生过程引入我们的CGP框架，以重新建立修剪但重要的连接。提出的CGP通过在6个GNN体系结构中使用节点分类任务进行评估，包括浅层模型（GCN和GAT），浅但深度散发模型（SGC和APPNP）以及Deep Models（GCNII和RESGCN），总共有14个真实图形数据集，包括来自挑战性开放图基准的大规模图数据集。实验表明，我们提出的策略在匹配时大大提高了训练和推理效率，甚至超过了现有方法的准确性。

Graph Convolutional Networks (GCNs) are extensively utilized for deep learning on graphs. The large data sizes of graphs and their vertex features make scalable training algorithms and distributed memory systems necessary. Since the convolution operation on graphs induces irregular memory access patterns, designing a memory- and communication-efficient parallel algorithm for GCN training poses unique challenges. We propose a highly parallel training algorithm that scales to large processor counts. In our solution, the large adjacency and vertex-feature matrices are partitioned among processors. We exploit the vertex-partitioning of the graph to use non-blocking point-to-point communication operations between processors for better scalability. To further minimize the parallelization overheads, we introduce a sparse matrix partitioning scheme based on a hypergraph partitioning model for full-batch training. We also propose a novel stochastic hypergraph model to encode the expected communication volume in mini-batch training. We show the merits of the hypergraph model, previously unexplored for GCN training, over the standard graph partitioning model which does not accurately encode the communication costs. Experiments performed on real-world graph datasets demonstrate that the proposed algorithms achieve considerable speedups over alternative solutions. The optimizations achieved on communication costs become even more pronounced at high scalability with many processors. The performance benefits are preserved in deeper GCNs having more layers as well as on billion-scale graphs.

社区检测是网络科学的基本和重要问题，但只有几个基于图形神经网络的社区检测算法，其中无监督的算法几乎是空白的。通过融合具有网络功能的高阶模块化信息，本文首次提出了基于变分AualiCoder重建的社区检测VGGAer，并给出了其非概率版本。他们不需要任何先前的信息。我们精心设计了基于社区检测任务的相应输入功能，解码器和下游任务，这些设计简洁，自然，表现良好（我们的设计下的NMI值得到59.1％-565.9％）。基于一系列具有广泛数据集和先​​进方法的一系列实验，VGAER实现了卓越的性能，并具有更简单的设计竞争力和潜力。最后，我们报告了算法收敛性分析和T-SNE可视化的结果，清楚地描绘了VGAER的稳定性能和强大的网络模块化能力。我们的代码可在https://github.com/qcydm/vgaer提供。

属性网络上的节点分类是一项半监督任务，对于网络分析至关重要。通过将图形卷积网络（GCN）中的两个关键操作解耦，即具有转换和邻域聚合，截断的GCN的一些最新作品可以支持这些信息，以更深入地传播并实现高级性能。但是，它们遵循GCN的传统结构感知的传播策略，因此很难捕获节点的属性相关性，并对由两个端点属于不同类别的边缘描述的结构噪声敏感。为了解决这些问题，我们提出了一种新方法，称为“裂开式”传播，然后训练（PAMT）。关键思想是将属性相似性掩码整合到结构感知的传播过程中。这样，PAMT可以在传播过程中保留相邻节点的属性相关性，并有效地减少结构噪声的影响。此外，我们开发了一种迭代改进机制，以在改善培训性能的培训过程中更新相似性面罩。在四个现实世界数据集上进行的广泛实验证明了PAMT的出色性能和鲁棒性。

最近，图形神经网络（GNN）通过利用图形结构和节点特征的知识来表现出图表表示的显着性能。但是，他们中的大多数都有两个主要限制。首先，GNN可以通过堆叠更多的层来学习高阶结构信息，但由于过度光滑的问题，无法处理较大的深度。其次，由于昂贵的计算成本和高内存使用情况，在大图上应用这些方法并不容易。在本文中，我们提出了节点自适应特征平滑（NAFS），这是一种简单的非参数方法，该方法构建了没有参数学习的节点表示。 NAFS首先通过特征平滑提取每个节点及其不同啤酒花的邻居的特征，然后自适应地结合了平滑的特征。此外，通过不同的平滑策略提取的平滑特征的合奏可以进一步增强构建的节点表示形式。我们在两个不同的应用程序方案上对四个基准数据集进行实验：节点群集和链接预测。值得注意的是，具有功能合奏的NAFS优于这些任务上最先进的GNN，并减轻上述大多数基于学习的GNN对应物的两个限制。

由于大型数据集中的深度学习模型需要大量时间和资源，因此希望构建一个小型合成数据集，我们可以通过该数据集充分训练深度学习模型。最近有一些作品通过复杂的BI级优化探索了有关凝结图像数据集的解决方案。例如，数据集冷凝（DC）匹配网络梯度W.R.T.大型数据和小合成数据，在每个外迭代处，网络权重优化了多个步骤。但是，现有方法具有其固有的局限性：（1）它们不直接适用于数据离散的图表； （2）由于所涉及的嵌套优化，冷凝过程在计算上昂贵。为了弥合差距，我们研究了针对图形数据集量身定制的有效数据集冷凝，在该数据集中我们将离散图结构模拟为概率模型。我们进一步提出了一个单步梯度匹配方案，该方案仅执行一个步骤，而无需训练网络权重。我们的理论分析表明，该策略可以生成合成图，从而导致实际图上的分类损失降低。各种图数据集的广泛实验证明了该方法的有效性和效率。特别是，我们能够将数据集大小降低90％，同时大约98％的原始性能，并且我们的方法明显快于多步梯度匹配（例如，CIFAR10中的15倍用于合成500个图）。

异质图卷积网络在解决异质网络数据的各种网络分析任务方面已广受欢迎，从链接预测到节点分类。但是，大多数现有作品都忽略了多型节点之间的多重网络的关系异质性，而在元路径中，元素嵌入中关系的重要性不同，这几乎无法捕获不同关系跨不同关系的异质结构信号。为了应对这一挑战，这项工作提出了用于异质网络嵌入的多重异质图卷积网络（MHGCN）。我们的MHGCN可以通过多层卷积聚合自动学习多重异质网络中不同长度的有用的异质元路径相互作用。此外，我们有效地将多相关结构信号和属性语义集成到学习的节点嵌入中，并具有无监督和精选的学习范式。在具有各种网络分析任务的五个现实世界数据集上进行的广泛实验表明，根据所有评估指标，MHGCN与最先进的嵌入基线的优势。

数据处理的最新进展刺激了对非常大尺度的学习图的需求。众所周知，图形神经网络（GNN）是解决图形学习任务的一种新兴和有力的方法，很难扩大规模。大多数可扩展模型应用基于节点的技术来简化GNN的昂贵图形消息传播过程。但是，我们发现当应用于百万甚至数十亿尺度的图表时，这种加速度不足。在这项工作中，我们提出了Scara，这是一种可扩展的GNN，具有针对图形计算的特征优化。 Scara有效地计算出从节点功能中嵌入的图形，并进一步选择和重用功能计算结果以减少开销。理论分析表明，我们的模型在传播过程以及GNN培训和推理中具有确保精度，实现了子线性时间的复杂性。我们在各种数据集上进行了广泛的实验，以评估圣aca的功效和效率。与基线的性能比较表明，与快速收敛和可比精度相比，与当前的最新方法相比，圣aca最高可达到100倍的图形传播加速度。最值得注意的是，在100秒内处理最大的十亿个GNN数据集纸100m（1.11亿节点，1.6B边缘）上的预先计算是有效的。

图形神经网络（GNN）已被证明是分析非欧国人图数据的强大工具。但是，缺乏有效的分布图学习（GL）系统极大地阻碍了GNN的应用，尤其是当图形大且GNN相对深时。本文中，我们提出了GraphTheta，这是一种以顶点为中心的图形编程模型实现的新颖分布式和可扩展的GL系统。 GraphTheta是第一个基于分布式图处理的GL系统，其神经网络运算符以用户定义的功能实现。该系统支持多种培训策略，并在分布式（虚拟）机器上启用高度可扩展的大图学习。为了促进图形卷积实现，GraphTheta提出了一个名为NN-Tgar的新的GL抽象，以弥合图形处理和图形深度学习之间的差距。提出了分布式图引擎，以通过混合平行执行进行随机梯度下降优化。此外，除了全球批次和迷你批次外，我们还为新的集群批次培训策略提供了支持。我们使用许多网络大小的数据集评估GraphTheta，范围从小，适度到大规模。实验结果表明，GraphTheta可以很好地扩展到1,024名工人，用于培训内部开发的GNN，该工业尺度的Aripay数据集为14亿个节点和41亿个属性边缘，并带有CPU虚拟机（Dockers）群的小群。 （5 $ \ sim $ 12GB）。此外，GraphTheta比最先进的GNN实现获得了可比或更好的预测结果，证明其学习GNN和现有框架的能力，并且可以超过多达$ 2.02 \ tims $ $ 2.02 \ times $，具有更好的可扩展性。据我们所知，这项工作介绍了文献中最大的边缘属性GNN学习任务。

鉴于在现实世界应用中大规模图的流行率，训练神经模型的存储和时间引起了人们的关注。为了减轻关注点，我们提出和研究图形神经网络（GNNS）的图形凝结问题。具体而言，我们旨在将大型原始图凝结成一个小的，合成的和高度信息的图，以便在小图和大图上训练的GNN具有可比性的性能。我们通过优化梯度匹配损失并设计一种凝结节点期货和结构信息的策略来模仿原始图上的GNN训练轨迹，以解决凝结问题。广泛的实验证明了所提出的框架在将不同的图形数据集凝结成信息较小的较小图中的有效性。特别是，我们能够在REDDIT上近似于95.3％的原始测试准确性，Flickr的99.8％和CiteSeer的99.0％，同时将其图形尺寸降低了99.9％以上，并且可以使用冷凝图来训练各种GNN架构Code在https://github.com/chandlerbang/gcond上发布。

An undirected weighted graph (UWG) is frequently adopted to describe the interactions among a solo set of nodes from real applications, such as the user contact frequency from a social network services system. A graph convolutional network (GCN) is widely adopted to perform representation learning to a UWG for subsequent pattern analysis tasks such as clustering or missing data estimation. However, existing GCNs mostly neglects the latent collaborative information hidden in its connected node pairs. To address this issue, this study proposes to model the node collaborations via a symmetric latent factor analysis model, and then regards it as a node-collaboration module for supplementing the collaboration loss in a GCN. Based on this idea, a Node-collaboration-informed Graph Convolutional Network (NGCN) is proposed with three-fold ideas: a) Learning latent collaborative information from the interaction of node pairs via a node-collaboration module; b) Building the residual connection and weighted representation propagation to obtain high representation capacity; and c) Implementing the model optimization in an end-to-end fashion to achieve precise representation to the target UWG. Empirical studies on UWGs emerging from real applications demonstrate that owing to its efficient incorporation of node-collaborations, the proposed NGCN significantly outperforms state-of-the-art GCNs in addressing the task of missing weight estimation. Meanwhile, its good scalability ensures its compatibility with more advanced GCN extensions, which will be further investigated in our future studies.

图形神经网络（GNN）在许多基于图的应用程序中取得了巨大成功。但是，巨大的尺寸和高稀疏度的图表阻碍了其在工业场景下的应用。尽管为大规模图提出了一些可扩展的GNN，但它们为每个节点采用固定的$ k $ hop邻域，因此在稀疏区域内采用大型繁殖深度时面临过度光滑的问题。为了解决上述问题，我们提出了一种新的GNN体系结构 - 图形注意多层感知器（GAMLP），该架构可以捕获不同图形知识范围之间的基本相关性。我们已经与天使平台部署了GAMLP，并进一步评估了现实世界数据集和大规模工业数据集的GAMLP。这14个图数据集的广泛实验表明，GAMLP在享有高可扩展性和效率的同时，达到了最先进的性能。具体来说，在我们的大规模腾讯视频数据集上的预测准确性方面，它的表现优于1.3 \％，同时达到了高达$ 50 \ times $ triending的速度。此外，它在开放图基准的最大同质和异质图（即OGBN-PAPERS100M和OGBN-MAG）的排行榜上排名第一。

图形神经网络（GNN）在学习强大的节点表示中显示了令人信服的性能，这些表现在保留节点属性和图形结构信息的强大节点表示中。然而，许多GNNS在设计有更深的网络结构或手柄大小的图形时遇到有效性和效率的问题。已经提出了几种采样算法来改善和加速GNN的培训，但他们忽略了解GNN性能增益的来源。图表数据中的信息的测量可以帮助采样算法来保持高价值信息，同时消除冗余信息甚至噪声。在本文中，我们提出了一种用于GNN的公制引导（MEGUIDE）子图学习框架。 MEGUIDE采用两种新颖的度量：功能平滑和连接失效距离，以指导子图采样和迷你批次的培训。功能平滑度专为分析节点的特征而才能保留最有价值的信息，而连接失败距离可以测量结构信息以控制子图的大小。我们展示了MEGUIDE在多个数据集上培训各种GNN的有效性和效率。

大规模图在现实情况下无处不在，可以通过图神经网络（GNN）训练以生成下游任务的表示形式。鉴于大规模图的丰富信息和复杂的拓扑结构，我们认为在这样的图中存在冗余，并将降低训练效率。不幸的是，模型可伸缩性严重限制了通过香草GNNS训练大规模图的效率。尽管在基于抽样的培训方法方面取得了最新进展，但基于抽样的GNN通常忽略了冗余问题。在大规模图上训练这些型号仍然需要无法容忍的时间。因此，我们建议通过重新思考图中的固有特征来降低冗余并提高使用GNN的大规模训练效率。在本文中，我们开拓者提出了一种称为dropreef的曾经使用的方法，以在大规模图中删除冗余。具体而言，我们首先进行初步实验，以探索大规模图中的潜在冗余。接下来，我们提出一个度量标准，以量化图中所有节点的异质性。基于实验和理论分析，我们揭示了大规模图中的冗余，即具有高邻居异质的节点和大量邻居。然后，我们建议Dropreef一劳永逸地检测并删除大规模图中的冗余，以帮助减少训练时间，同时确保模型准确性没有牺牲。为了证明DropReef的有效性，我们将其应用于最新的基于最新的采样GNN，用于训练大规模图，这是由于此类模型的高精度。使用Dropreef杠杆，可以大力提高模型的训练效率。 Dropreef高度兼容，并且在离线上执行，从而在很大程度上使目前和未来的最新采样GNN受益。

随着对比学习的兴起，无人监督的图形表示学习最近一直蓬勃发展，甚至超过了一些机器学习任务中的监督对应物。图表表示的大多数对比模型学习侧重于最大化本地和全局嵌入之间的互信息，或主要取决于节点级别的对比嵌入。然而，它们仍然不足以全面探索网络拓扑的本地和全球视图。虽然前者认为本地全球关系，但其粗略的全球信息导致本地和全球观点之间的思考。后者注重节点级别对齐，以便全局视图的作用出现不起眼。为避免落入这两个极端情况，我们通过对比群集分配来提出一种新颖的无监督图形表示模型，称为GCCA。通过组合聚类算法和对比学习，它有动力综合利用本地和全球信息。这不仅促进了对比效果，而且还提供了更高质量的图形信息。同时，GCCA进一步挖掘群集级信息，这使得它能够了解除了图形拓扑之外的节点之间的难以捉摸的关联。具体地，我们首先使用不同的图形增强策略生成两个增强的图形，然后使用聚类算法分别获取其群集分配和原型。所提出的GCCA进一步强制不同增强图中的相同节点来通过最小化交叉熵损失来互相识别它们的群集分配。为了展示其有效性，我们将在三个不同的下游任务中与最先进的模型进行比较。实验结果表明，GCCA在大多数任务中具有强大的竞争力。

图形神经网络（GNN）已被广泛应用于各种领域，以通过图形结构数据学习。在各种任务（例如节点分类和图形分类）中，他们对传统启发式方法显示了显着改进。但是，由于GNN严重依赖于平滑的节点特征而不是图形结构，因此在链接预测中，它们通常比简单的启发式方法表现出差的性能，例如，结构信息（例如，重叠的社区，学位和最短路径）至关重要。为了解决这一限制，我们建议邻里重叠感知的图形神经网络（NEO-GNNS），这些神经网络（NEO-GNNS）从邻接矩阵中学习有用的结构特征，并估算了重叠的邻域以进行链接预测。我们的Neo-Gnns概括了基于社区重叠的启发式方法，并处理重叠的多跳社区。我们在开放图基准数据集（OGB）上进行的广泛实验表明，NEO-GNNS始终在链接预测中实现最新性能。我们的代码可在https://github.com/seongjunyun/neo_gnns上公开获取。