马斯克的AI第一枪，被华人科学家大将打响！xAI首个研究成果：训练无限深度神经网络

大数据文摘受权转载自头部科技

文 | Congerry

几个月前，马斯克通过 Twitter 宣布自己的人工智能公司xAI正式成立：成立一家 xAI 公司去了解宇宙的真实本质。

当时，xAI官宣了11名AI领域的顶尖科学家和工程师。

其中之一就是Greg Yang（杨格），他在官宣加入xAI时表示，大型神经网络的“万物理论”是人工智能的关键，也是揭示数学宇宙奥秘的途径。

近日，杨格也发表了一篇关于神经网络架构的新作——Tensor Programs VI: Feature Learning in Infinite-Depth Neural Networks。

这篇文章是杨格之前开发的一种用来描述神经网络结构的编程语言Tensor Programs系列论文的第六篇，主要研究无限深度神经网络中特征学习的问题——残差网络（resnets）的深度参数化方法，而Tensor Programs相关成果在GPT-4中已有应用。

如何训练一个无限深度神经网络

残差网络是一种深度学习的模型，它可以通过在每个块中添加一个跳跃连接（skip connection），使得网络的输出可以直接加上输入，从而避免了深度增加时，网络性能下降的问题。

但是，残差网络并不是完美的，它仍然有一些挑战和困难：

• 当网络加深时，每个块的输出（也就是特征）会变得越来越大，这会导致网络的计算量和内存消耗增加，同时也会影响网络的稳定性和泛化能力。
• 当网络加深时，原来的超参数（比如学习率、权重衰减等）可能不再适用，需要重新调整。这会增加训练的时间和难度，也会影响最终的结果。

因此，训练一个好的深度残差网络仍然是一件不容易的事情，需要考虑很多因素和细节。

论文作者通过分析无限宽度然后无限深度的极限情况，对不同的深度参数化方法进行了分类。

然后，论文作者发现了一种独特的最优参数化方法，叫做Depth-μP，它是之前提出的μP方法的扩展，可以保证在无限深度的极限下，网络的特征学习和特征多样性都达到最大。

论文作者表示，深度 μP 极限更像是神经 SDE，因为相邻层仅弱相关，并且 xᵐ 仅在 (m/L) 中保持 Holder 连续，指数 ≈1/2。我们也将此 Holder 指数称为 resnet 的“特征多样性指数”。但从数学上讲，它比典型的 SDE 更疯狂，因为在每一层添加的噪声“了解”更深的层（由于训练；这很重要，因为否则此计算没有用！）

为什么深度 μP有帮助？论文作者表示，作为反例，考虑 φ=id（奇数）的线性模型。然后简单计算发现，当 L 很大时，相邻的 Wᵐ 和 Wᵐ⁺¹ 本质上是相同的。

另一方面，偶数 Φ 意味着奇数 Φ'。在 Depth-μP 中，Wᵐ 在 m 上仅弱相关，因此相邻层的 φ'(Wᵐxᵐ)) 几乎没有相关性。因为 Wᵐ 的梯度乘法取决于 φ'(Wᵐxᵐ))，所以这会去相关这些梯度。

但当残差块深度≥2时，还是会出现超参数迁移失败和训练性能下降的问题。

论文作者指出，目前还没有一种可靠的深度缩放方法可以适用于Transformer，因为Transformer的结构比较复杂，每个块都有多层，并且有自注意力机制（self-attention）和残差连接（residual connections）等。

论文作者表示，可能我们没有考虑到一些重要的超参数，导致我们无法找到最优的深度缩放方法。

因此，作者提出了一个重要的未来方向，就是识别出这些重要的超参数，并且设计出一种适用于Transformer的深度缩放方法。

关于杨格

杨格出生于湖南，北京读完小学后赴美，进入哈佛数学系。大二时，杨格休学一年半追音乐梦，后认识到数学是自己的真爱，重新回到哈佛。

之后他再次休学两年，快速学习数学、计算机科学和人工智能等前沿知识。回哈佛后，杨格师从丘成桐教授，2017年获得数学和计算机双学位，并获得摩根奖荣誉提名。

毕业时丘成桐建议杨格不要去谷歌，而是加入微软研究院。杨格进入微软后表现优异，尤其是在GPT研发中做出重要贡献。他在微软期间持续开发Tensor Programs框架，用GPT-3验证所提超参数迁移方法，相关成果发表于顶会。

今年7月，马斯克宣布成立新公司xAI，杨格离开微软，加入xAI创始团队，研究方向是“Math for AI”和“AI for Math”。