科学空间|Scientific Spaces

优化器可能是深度学习最“玄学”的一个模块之一了：有时候换一个优化器就能带来明显的提升，有时候别人说提升很多的优化器用到自己的任务上却一丁点用都没有，理论性质好的优化器不一定工作得很好，纯粹拍脑袋而来的优化器也未必就差了。但不管怎样，优化器终究也为热爱“深度炼丹”的同学提供了多一个选择。

近几年来，关于优化器的工作似乎也在慢慢增多，很多论文都提出了对常用优化器（尤其是Adam）的大大小小的改进。本文就汇总一些优化器工作或技巧，并统一给出了代码实现，供读者有需调用。

基本形式

所谓“派生”，就是指相关的技巧都是建立在已有的优化器上的，任意一个已有的优化器都可以用上这些技巧，从而变成一个新的优化器。

已有的优化器的基本形式为：
\begin{equation}\begin{aligned}\boldsymbol{g}_t =&\, \nabla_{\boldsymbol{\theta}} L\\
\boldsymbol{h}_t =&\, f(\boldsymbol{g}_{\leq t})\\
\boldsymbol{\theta}_{t+1} =&\, \boldsymbol{\theta}_t - \gamma \boldsymbol{h}_t
\end{aligned}\end{equation}
其中$\boldsymbol{g}_t$即梯度，而$\boldsymbol{g}_{\leq t}$指的是截止到当前步的所有梯度信息，它们经过某种运算$f$（比如累积动量、累积二阶矩校正学习率等）后得到$\boldsymbol{h}_t$，然后由$\boldsymbol{h}_t$来更新参数，这里的$\gamma$就是指学习率。

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最近用Keras实现了两个优化器，也算是有点实现技巧，遂放在一起写篇文章简介一下（如果只有一个的话我就不写了）。这两个优化器的名字都挺有意思的，一个是look ahead（往前看？），一个是lazy（偷懒？），难道是两个完全不同的优化思路么？非也非也～只能说发明者们起名字太有创意了。

Lookahead

首先登场的是Lookahead优化器，它源于论文《Lookahead Optimizer: k steps forward, 1 step back》，是最近才提出来的优化器，有意思的是大牛Hinton和Adam的作者之一Jimmy Ba也出现在了论文作者列表当中，有这两个大神加持，这个优化器的出现便吸引了不少目光。

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自从GPT、BERT等预训练模型流行起来后，其中一个明显的趋势是模型越做越大，因为更大的模型配合更充分的预训练通常能更有效地刷榜。不过，理想可以无限远，现实通常很局促，有时候模型太大了，大到哪怕你拥有了大显存的GPU甚至TPU，依然会感到很绝望。比如GPT2最大的版本有15亿参数，最大版本的T5模型参数量甚至去到了110亿，这等规模的模型，哪怕在TPU集群上也没法跑到多大的batch size。

这时候通常要往优化过程着手，比如使用混合精度训练（tensorflow下还可以使用一种叫做bfloat16的新型浮点格式），即省显存又加速训练；又或者使用更省显存的优化器，比如RMSProp就比Adam更省显存。本文则介绍AdaFactor，一个由Google提出来的新型优化器，首发论文为《Adafactor: Adaptive Learning Rates with Sublinear Memory Cost》。AdaFactor具有自适应学习率的特性，但比RMSProp还要省显存，并且还针对性地解决了Adam的一些缺陷。

Adam

首先我们来回顾一下常用的Adam优化器的更新过程。设$t$为迭代步数，$\alpha_t$为当前学习率，$L(\theta)$是损失函数，$\theta$是待优化参数，$\epsilon$则是防止溢出的小正数，那么Adam的更新过程为

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这篇文章简单介绍一个叫做AdaX的优化器，来自《AdaX: Adaptive Gradient Descent with Exponential Long Term Memory》。介绍这个优化器的原因是它再次印证了之前在《AdaFactor优化器浅析（附开源实现）》一文中提到的一个结论，两篇文章可以对比着阅读。

Adam & AdaX

AdaX的更新格式是
\begin{equation}\left\{\begin{aligned}&g_t = \nabla_{\theta} L(\theta_t)\\
&m_t = \beta_1 m_{t-1} + \left(1 - \beta_1\right) g_t\\
&v_t = (1 + \beta_2) v_{t-1} + \beta_2 g_t^2\\
&\hat{v}_t = v_t\left/\left(\left(1 + \beta_2\right)^t - 1\right)\right.\\
&\theta_t = \theta_{t-1} - \alpha_t m_t\left/\sqrt{\hat{v}_t + \epsilon}\right.
\end{aligned}\right.\end{equation}
其中$\beta_2$的默认值是$0.0001$。对了，顺便附上自己的Keras实现：https://github.com/bojone/adax

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前几天在群里大家讨论到了“Transformer如何解决梯度消失”这个问题，答案有提到残差的，也有提到LN（Layer Norm）的。这些是否都是正确答案呢？事实上这是一个非常有趣而综合的问题，它其实关联到挺多模型细节，比如“BERT为什么要warmup？”、“BERT的初始化标准差为什么是0.02？”、“BERT做MLM预测之前为什么还要多加一层Dense？”，等等。本文就来集中讨论一下这些问题。

梯度消失说的是什么意思？

在文章《也来谈谈RNN的梯度消失/爆炸问题》中，我们曾讨论过RNN的梯度消失问题。事实上，一般模型的梯度消失现象也是类似，它指的是（主要是在模型的初始阶段）越靠近输入的层梯度越小，趋于零甚至等于零，而我们主要用的是基于梯度的优化器，所以梯度消失意味着我们没有很好的信号去调整优化前面的层。

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如果将训练模型比喻为“炼丹”，那么“炼丹炉”显然就是优化器了。据传AdamW优化器是当前训练神经网络最快的方案，这一点笔者也没有一一对比过，具体情况如何不得而知，不过目前做预训练时多数都用AdamW或其变种LAMB倒是真的。然而，正如有了炼丹炉也未必能炼出好丹，即便我们确定了选择AdamW优化器，依然有很多问题还没有确定的答案，比如：

1、学习率如何适应不同初始化和参数化？

2、权重衰减率该怎么调？

3、学习率应该用什么变化策略？

4、能不能降低优化器的显存占用？

尽管在实际应用时，我们大多数情况下都可以直接套用前人已经调好的参数和策略，但缺乏比较系统的调参指引，始终会让我们在“炼丹”之时感觉没有底气。在这篇文章中，我们基于Google最近提出的Amos优化器的思路，给出一些参考结果。

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昨天在Arixv上发现了Google新发的一篇论文《Symbolic Discovery of Optimization Algorithms》，主要是讲自动搜索优化器的，咋看上去没啥意思，因为类似的工作也有不少，大多数结果都索然无味。然而，细读之下才发现别有洞天，原来作者们通过数千TPU小时的算力搜索并结合人工干预，得到了一个速度更快、显存更省的优化器Lion（EvoLved Sign Momentum，不得不吐槽这名字起得真勉强），并在图像分类、图文匹配、扩散模型、语言模型预训练和微调等诸多任务上做了充分的实验，多数任务都显示Lion比目前主流的AdamW等优化器有着更好的效果。

更省显存还更好效果，真可谓是鱼与熊掌都兼得了，什么样的优化器能有这么强悍的性能？本文一起来欣赏一下论文的成果。

先说结果

本文主要关心搜索出来的优化器本身，所以关于搜索过程的细节就不讨论了，对此有兴趣读者自行看原论文就好。Lion优化器的更新过程为
\begin{equation}\text{Lion}:=\left\{\begin{aligned}
&\boldsymbol{u}_t = \text{sign}\big(\beta_1 \boldsymbol{m}_{t-1} + \left(1 - \beta_1\right) \boldsymbol{g}_t\big) \\
&\boldsymbol{\theta}_t = \boldsymbol{\theta}_{t-1} - \eta_t (\boldsymbol{u}_t \color{skyblue}{ + \lambda_t \boldsymbol{\theta}_{t-1}}) \\
&\boldsymbol{m}_t = \beta_2 \boldsymbol{m}_{t-1} + \left(1 - \beta_2\right) \boldsymbol{g}_t
\end{aligned}\right.\end{equation}

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这段时间笔者一直在实验《Google新搜出的优化器Lion：效率与效果兼得的“训练狮”》所介绍的Lion优化器。之所以对Lion饶有兴致，是因为它跟笔者之前的关于理想优化器的一些想法不谋而合，但当时笔者没有调出好的效果，而Lion则做好了。

相比标准的Lion，笔者更感兴趣的是它在$\beta_1=\beta_2$时的特殊例子，这里称之为“Tiger”。Tiger只用到了动量来构建更新量，根据《隐藏在动量中的梯度累积：少更新几步，效果反而更好？》的结论，此时我们不新增一组参数来“无感”地实现梯度累积！这也意味着在我们有梯度累积需求时，Tiger已经达到了显存占用的最优解，这也是“Tiger”这个名字的来源（Tight-fisted Optimizer，抠门的优化器，不舍得多花一点显存）。

此外，Tiger还加入了我们的一些超参数调节经验，以及提出了一个防止模型出现NaN（尤其是混合精度训练下）的简单策略。我们的初步实验显示，Tiger的这些改动，能够更加友好地完成模型（尤其是大模型）的训练。

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