有效地近似损失函数的局部曲率信息是用于深神经网络的优化和压缩的关键工具。然而，大多数现有方法近似二阶信息具有高计算或存储成本，这可以限制其实用性。在这项工作中，我们调查矩阵，用于估计逆象征的矢量产品（IHVPS）的矩阵线性时间方法，因为当Hessian可以近似为乘语 - 一个矩阵的总和时，如Hessian的经典近似由经验丰富的Fisher矩阵。我们提出了两个新的算法作为称为M-FAC的框架的一部分：第一个算法朝着网络压缩量身定制，如果Hessian给出了M $等级的总和，则可以计算Dimension $ D $的IHVP。 ，使用$ O（DM ^ 2）$预压制，$ O（DM）$代价计算IHVP，并查询逆Hessian的任何单个元素的费用$ O（m）$。第二算法针对优化设置，我们希望在反向Hessian之间计算产品，估计在优化步骤的滑动窗口和给定梯度方向上，根据预先说明的SGD所需的梯度方向。我们为计算IHVP和OHVP和O（DM + M ^ 3）$ of $ o（dm + m ^ 2）$提供算法，以便从滑动窗口添加或删除任何渐变。这两种算法产生最先进的结果，用于网络修剪和相对于现有二阶方法的计算开销的优化。在[9]和[17]可用实现。

我们考虑在具有挑战性的训练后环境中，深度神经网络（DNN）的模型压缩问题，在该设置中，我们将获得精确的训练模型，并且必须仅基于少量校准输入数据而无需任何重新培训即可压缩它。鉴于新兴软件和硬件支持通过加速修剪和/或量化压缩的模型，并且已经针对两种压缩方法独立提出了良好的表现解决方案，因此该问题已变得流行。在本文中，我们引入了一个新的压缩框架，该框架涵盖了统一环境中的重量修剪和量化，时间和空间效率高，并且在现有的后训练方法的实际性能上大大改善。在技​​术层面上，我们的方法基于[Lecun，Denker和Solla，1990年]在现代DNN的规模上的经典最佳脑外科医生（OBS）框架的第一个精确实现，我们进一步扩展到覆盖范围。重量量化。这是通过一系列可能具有独立利益的算法开发来实现的。从实际的角度来看，我们的实验结果表明，它可以在现有后训练方法的压缩 - 准确性权衡方面显着改善，并且甚至可以在训练后进行修剪和量化的准确共同应用。

二阶优化器被认为具有加快神经网络训练的潜力，但是由于曲率矩阵的尺寸巨大，它们通常需要近似值才能计算。最成功的近似家庭是Kronecker因块状曲率估计值（KFAC）。在这里，我们结合了先前工作的工具，以评估确切的二阶更新和仔细消融以建立令人惊讶的结果：由于其近似值，KFAC与二阶更新无关，尤其是，它极大地胜过真实的第二阶段更新。订单更新。这一挑战广泛地相信，并立即提出了为什么KFAC表现如此出色的问题。为了回答这个问题，我们提出了强烈的证据，表明KFAC近似于一阶算法，该算法在神经元上执行梯度下降而不是权重。最后，我们表明，这种优化器通常会在计算成本和数据效率方面改善KFAC。

最近对深神经网络（DNN）效率的重点已导致了模型压缩方法的重要工作，其中重量修剪是最受欢迎的方法之一。同时，有快速增长的计算支持，以有效地执行通过修剪获得的非结构化模型。但是，大多数现有的修剪方法最小化仅剩余权重的数量，即模型的大小，而不是针对推理时间进行优化。我们通过引入SPDY来解决这一差距，SPDY是一种新的压缩方法，该方法会自动确定层次的稀疏性目标，可以在给定系统上实现所需的推理速度，同时最大程度地减少准确性损失。 SPDY由两种新技术组成：第一个是一种有效的动态编程算法，用于求解一组给定的层敏感性得分，以解决加速约束的层压缩问题；第二个是一个局部搜索程序，用于确定准确的层敏感性得分。跨流行视觉和语言模型的实验表明，SPDY可以保证相对于现有策略的恢复较高的准确性，无论是一次性和逐步修剪方案，并且与大多数现有的修剪方法兼容。我们还将方法扩展到了最近实施的修剪任务，几乎没有数据，在该数据中，我们在修剪GPU支持的2：4稀疏模式时实现了最著名的准确性恢复。

深度神经网络（DNN）的计算要求增加导致获得稀疏，且准确的DNN模型的兴趣。最近的工作已经调查了稀疏训练的更加困难的情况，其中DNN重量尽可能稀少，以减少训练期间的计算成本。现有的稀疏训练方法通常是经验的，并且可以具有相对于致密基线的准确性较低。在本文中，我们介绍了一种称为交替压缩/解压缩（AC / DC）训练DNN的一般方法，证明了算法变体的收敛，并表明AC / DC在类似的计算预算中准确地表现出现有的稀疏训练方法;在高稀疏水平下，AC / DC甚至优于现有的现有方法，依赖于准确的预训练密集模型。 AC / DC的一个重要属性是它允许联合培训密集和稀疏的型号，在训练过程结束时产生精确的稀疏密集模型对。这在实践中是有用的，其中压缩变体可能是为了在资源受限的设置中进行部署而不重新执行整个训练流，并且还为我们提供了深入和压缩模型之间的精度差距的见解。代码可在：https://github.com/ist-daslab/acdc。

We propose an efficient method for approximating natural gradient descent in neural networks which we call Kronecker-factored Approximate Curvature (K-FAC). K-FAC is based on an efficiently invertible approximation of a neural network's Fisher information matrix which is neither diagonal nor low-rank, and in some cases is completely non-sparse. It is derived by approximating various large blocks of the Fisher (corresponding to entire layers) as being the Kronecker product of two much smaller matrices. While only several times more expensive to compute than the plain stochastic gradient, the updates produced by K-FAC make much more progress optimizing the objective, which results in an algorithm that can be much faster than stochastic gradient descent with momentum in practice. And unlike some previously proposed approximate natural-gradient/Newton methods which use high-quality non-diagonal curvature matrices (such as Hessian-free optimization), K-FAC works very well in highly stochastic optimization regimes. This is because the cost of storing and inverting K-FAC's approximation to the curvature matrix does not depend on the amount of data used to estimate it, which is a feature typically associated only with diagonal or low-rank approximations to the curvature matrix.

We show for the first time that large-scale generative pretrained transformer (GPT) family models can be pruned to at least 50% sparsity in one-shot, without any retraining, at minimal loss of accuracy. This is achieved via a new pruning method called SparseGPT, specifically designed to work efficiently and accurately on massive GPT-family models. When executing SparseGPT on the largest available open-source models, OPT-175B and BLOOM-176B, we can reach 60% sparsity with negligible increase in perplexity: remarkably, more than 100 billion weights from these models can be ignored at inference time. SparseGPT generalizes to semi-structured (2:4 and 4:8) patterns, and is compatible with weight quantization approaches.

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。

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 * .

目前，深层神经网络（DNN）主要使用一阶方法进行训练。其中一些方法（例如Adam，Adagrad和Rmsprop及其变体）通过使用对角线矩阵来预先处理随机梯度。最近，通过通过按层块 - diagonal矩阵对随机梯度进行预处理，已开发出有效的二阶方法，例如KFAC，K-BFGS，洗发水和TNT。在这里，我们提出了一种自适应的“迷你块Fisher（MBF）”预处理方法，其中在这两类方法之间。具体而言，我们的方法对经验渔民矩阵使用块对基近似值，在DNN中的每一层（无论是卷积还是馈送）和完全连接，相关的对角线本身都是块 - diagonal，并且由A组成。大量适度的迷你块。我们的新方法利用GPU的并行性来有效地对每一层的大量矩阵进行计算。因此，MBF的均值计算成本仅略高于一阶方法。将我们提出的方法的性能与在自动编码器和CNN问题上的几种基线方法进行了比较，以在时间效率和概括功率方面验证其有效性。最后，证明MBF的理想化版本线性收敛。

The vast majority of successful deep neural networks are trained using variants of stochastic gradient descent (SGD) algorithms. Recent attempts to improve SGD can be broadly categorized into two approaches: (1) adaptive learning rate schemes, such as AdaGrad and Adam, and (2) accelerated schemes, such as heavy-ball and Nesterov momentum. In this paper, we propose a new optimization algorithm, Lookahead, that is orthogonal to these previous approaches and iteratively updates two sets of weights. Intuitively, the algorithm chooses a search direction by looking ahead at the sequence of "fast weights" generated by another optimizer. We show that Lookahead improves the learning stability and lowers the variance of its inner optimizer with negligible computation and memory cost. We empirically demonstrate Lookahead can significantly improve the performance of SGD and Adam, even with their default hyperparameter settings on ImageNet, CIFAR-10/100, neural machine translation, and Penn Treebank.

修剪神经网络可降低推理时间和记忆成本。在标准硬件上，如果修剪诸如特征地图之类的粗粒结构（例如特征地图），这些好处将特别突出。我们为二阶结构修剪（SOSP）设计了两种新型的基于显着性的方法，其中包括所有结构和层之间的相关性。我们的主要方法SOSP-H采用了创新的二阶近似，可以通过快速的Hessian-vector产品进行显着评估。 SOSP-H因此，尽管考虑到了完整的Hessian，但仍像一阶方法一样缩放。我们通过将SOSP-H与使用公认的Hessian近似值以及许多最先进方法进行比较来验证SOSP-H。尽管SOSP-H在准确性方面的表现或更好，但在可伸缩性和效率方面具有明显的优势。这使我们能够将SOSP-H扩展到大规模视觉任务，即使它捕获了网络所有层的相关性。为了强调我们修剪方法的全球性质，我们不仅通过删除预验证网络的结构，而且还通过检测建筑瓶颈来评估它们的性能。我们表明，我们的算法允许系统地揭示建筑瓶颈，然后将其删除以进一步提高网络的准确性。

尽管主要使用一阶方法来训练深层学习模型，但尤其是自然梯度方法，仍然是利益，因为它们通过使用曲率信息加速训练的可能性。已经提出了几种具有非对角线预处理矩阵，包括KFAC，洗发剂和K-BFG的方法，并显示有效。基于所谓的张量正常（TN）分布，我们提出并分析了一种全新的近似自然梯度方法，张量正常训练（TNT），如洗发水，只需要了解训练参数的形状。通过近似基于概率的Fisher矩阵，与经验丰富的Fisher矩阵相反，我们的方法使用基于采样的梯度的块明智的协方差作为预处理矩阵。此外，假设基于采样的（张量）梯度遵循TN分布，确保其协方差具有Kronecker可分离结构，这导致到Fisher矩阵的易逼近。因此，TNT的内存需求和迭代计算成本仅略高于一阶方法的计算成本。在我们的实验中，TNT对最先进的一阶方法以及最先进的二阶方法KFAC和洗发剂的可比优化性能表现出卓越的优化性能。此外，TNT证明了其概括的能力以及使用较少的时期的一级方法。

Structural pruning of neural network parameters reduces computation, energy, and memory transfer costs during inference. We propose a novel method that estimates the contribution of a neuron (filter) to the final loss and iteratively removes those with smaller scores. We describe two variations of our method using the first and secondorder Taylor expansions to approximate a filter's contribution. Both methods scale consistently across any network layer without requiring per-layer sensitivity analysis and can be applied to any kind of layer, including skip connections. For modern networks trained on ImageNet, we measured experimentally a high (>93%) correlation between the contribution computed by our methods and a reliable estimate of the true importance. Pruning with the proposed methods leads to an improvement over state-ofthe-art in terms of accuracy, FLOPs, and parameter reduction. On ResNet-101, we achieve a 40% FLOPS reduction by removing 30% of the parameters, with a loss of 0.02% in the top-1 accuracy on ImageNet. Code is available at https://github.com/NVlabs/Taylor_pruning.

最近的立法导致对机器学习的兴趣，即从预测模型中删除特定的培训样本，就好像它们在培训数据集中从未存在。由于损坏/对抗性数据或仅仅是用户的更新隐私要求，也可能需要进行学习。对于不需要培训的模型（K-NN），只需删除最近的原始样品即可有效。但是，这个想法不适合学习更丰富的表示的模型。由于模型维度D的趋势，最新的想法利用了基于优化的更新，因为损失函数的Hessian颠倒了。我们使用新的条件独立系数L-CODEC的变体来识别模型参数的子集，其语义重叠在单个样本级别上。我们的方法完全避免了将（可能）巨大矩阵倒置的必要性。通过利用马尔可夫毯子的选择，我们前提是l-codec也适合深度学习以及视觉中的其他应用。与替代方案相比，L-Codec在原本是不可行的设置中可以实现近似学习，包括用于面部识别的视觉模型，人重新识别和可能需要未经学习的样品进行排除的NLP模型。代码可以在https://github.com/vsingh-group/lcodec-deep-unlearning/

在基于典型的深度神经网络训练期间，所有模型的参数都在每次迭代时更新。最近的工作表明，在训练期间只能更新模型参数的小型子集，这可以减轻存储和通信要求。在本文中，我们表明，可以在模型的参数上诱导一个固定的稀疏掩码，该屏蔽选择要在许多迭代中更新的子集。我们的方法用最大的Fisher信息构造出k $参数的掩码，作为一个简单的近似，与手头的任务最重要的近似值。在参数高效转移学习和分布式培训的实验中，我们表明我们的方法与其他方法的性能相匹配或超出稀疏更新的其他方法的性能，同时在内存使用和通信成本方面更有效。我们公开发布我们的代码，以促进我们的方法的进一步应用。

我们使用高斯过程扰动模型在高维二次上的真实和批量风险表面之间的高斯过程扰动模型分析和解释迭代平均的泛化性能。我们从我们的理论结果中获得了三个现象\姓名：}（1）将迭代平均值（ia）与大型学习率和正则化进行了改进的正规化的重要性。 （2）对较少频繁平均的理由。 （3）我们预计自适应梯度方法同样地工作，或者更好，而不是其非自适应对应物的迭代平均值。灵感来自这些结果\姓据{，一起与}对迭代解决方案多样性的适当正则化的重要性，我们提出了两个具有迭代平均的自适应算法。与随机梯度下降（SGD）相比，这些结果具有明显更好的结果，需要较少调谐并且不需要早期停止或验证设定监视。我们在各种现代和古典网络架构上展示了我们对CiFar-10/100，Imagenet和Penn TreeBank数据集的方法的疗效。

我们为神经网络提出了一种新颖，结构化修剪算法 - 迭代，稀疏结构修剪算法，称为I-Spasp。从稀疏信号恢复的思想启发，I-Spasp通过迭代地识别网络内的较大的重要参数组（例如，滤波器或神经元），这些参数组大多数对修剪和密集网络输出之间的残差贡献，然后基于这些组阈值以较小的预定定义修剪比率。对于具有Relu激活的双层和多层网络架构，我们展示了通过多项式修剪修剪诱导的错误，该衰减是基于密集网络隐藏表示的稀疏性任意大的。在我们的实验中，I-Spasp在各种数据集（即MNIST和ImageNet）和架构（即馈送前向网络，Resnet34和MobileNetv2）中进行评估，其中显示用于发现高性能的子网和改进经过几种数量级的可提供基线方法的修剪效率。简而言之，I-Spasp很容易通过自动分化实现，实现强大的经验结果，具有理论收敛保证，并且是高效的，因此将自己区分开作为少数几个计算有效，实用，实用，实用，实用，实用，实用，实用，实用和可提供的修剪算法之一。

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。

训练有素的神经网络的性能至关重要。加上深度学习模型的不断增长的规模，这种观察激发了对学习稀疏模型的广泛研究。在这项工作中，我们专注于控制稀疏学习时的稀疏水平的任务。基于稀疏性惩罚的现有方法涉及对罚款因素的昂贵反复试验调整，因此缺乏直接控制所得模型的稀疏性。作为响应，我们采用了一个约束的公式：使用Louizos等人提出的栅极机制。 （2018年），我们制定了一个受约束的优化问题，其中稀疏以训练目标和所需的稀疏目标以端到端的方式指导。使用WIDERESNET和RESNET {18，50}模型进行了CIFAR-10/100，Tinyimagenet和ImageNet的实验验证了我们的提案的有效性，并证明我们可以可靠地实现预定的稀疏目标，而不会损害预测性能。