SymbolNet: Neural Symbolic Regression with Adaptive Dynamic Pruning for Compression

TL;DR

SymbolNet通过自适应动态剪枝实现神经符号回归,提升压缩效率。

cs.LG 🔴 高级 2024-01-18 48 次浏览
Ho Fung Tsoi Vladimir Loncar Sridhara Dasu Philip Harris
符号回归 神经网络 动态剪枝 模型压缩 FPGA

核心发现

方法论

SymbolNet采用神经网络进行符号回归,结合动态剪枝技术,在单一训练过程中对模型权重、输入特征和数学运算符进行剪枝。引入稀疏正则化项,自动调整剪枝强度,实现目标稀疏比的收敛。

关键结果

  • 在LHC喷注标记任务中,SymbolNet能处理16个输入特征,表现优于传统方法。
  • 在MNIST数据集上,SymbolNet处理784个输入特征,保持高精度同时减少计算资源。
  • 在SVHN数据集上,SymbolNet处理3072个输入特征,显著提高了推理速度。

研究意义

SymbolNet在高维数据集上表现出色,解决了传统符号回归方法在高维输入上的扩展性问题。其在资源受限环境中的应用潜力巨大,尤其是在需要低延迟推理的场景中。

技术贡献

SymbolNet通过引入自适应动态剪枝,克服了多阶段剪枝导致的性能损失问题,实现了模型复杂度与训练损失的同步优化,显著提升了符号回归的效率。

新颖性

SymbolNet首次在符号回归中引入自适应动态剪枝,能够在单一训练过程中实现多种剪枝类型的动态调整,与现有方法相比具有显著创新性。

局限性

  • 在极端稀疏情况下,模型可能会过度简化,导致精度下降。
  • 对剪枝参数的选择敏感,需仔细调试。

未来方向

未来工作可在更多实际应用场景中验证SymbolNet的有效性,并探索其在其他硬件平台上的适用性。

AI 总览摘要

在高能物理实验中,资源受限的环境对模型的计算效率提出了更高要求。传统的符号回归方法在处理高维数据时面临挑战,而神经网络方法虽然扩展性好,但复杂度高。SymbolNet通过引入自适应动态剪枝技术,解决了这一难题。该方法在单一训练过程中对模型权重、输入特征和数学运算符进行动态剪枝,同时优化训练损失和表达式复杂度。在LHC喷注标记、MNIST和SVHN等数据集上的实验结果表明,SymbolNet在保持高精度的同时,显著减少了计算资源消耗,提升了推理速度。尽管如此,该方法在极端稀疏情况下可能会导致模型过度简化,未来工作将进一步优化剪枝策略并探索更多应用场景。

深度分析

研究背景

符号回归是一种监督学习方法,旨在寻找最佳拟合数据的解析表达式。与传统回归方法不同,符号回归不需要预定义的函数形式,能够建模更复杂的数据集。然而,符号回归的搜索空间随着变量、运算符和常数的增加而指数增长,导致其在高维数据集上的应用受到限制。

核心问题

高维数据集的符号回归面临着搜索空间过大、计算复杂度高的问题。传统的遗传编程方法在处理超过10个输入的情况下表现不佳,而神经网络方法虽然扩展性好,但复杂度高,难以在资源受限环境中应用。

核心创新

SymbolNet通过引入自适应动态剪枝技术,在单一训练过程中实现模型权重、输入特征和数学运算符的动态剪枝。该方法通过稀疏正则化项自动调整剪枝强度,实现目标稀疏比的收敛,显著提升了符号回归的效率。

方法详解

  • �� 使用神经网络进行符号回归,结合动态剪枝技术。
  • �� 在单一训练过程中对模型权重、输入特征和数学运算符进行剪枝。
  • �� 引入稀疏正则化项,自动调整剪枝强度,实现目标稀疏比的收敛。

实验设计

在LHC喷注标记任务中,SymbolNet处理16个输入特征,表现优于传统方法。在MNIST数据集上,SymbolNet处理784个输入特征,保持高精度同时减少计算资源。在SVHN数据集上,SymbolNet处理3072个输入特征,显著提高了推理速度。

结果分析

在LHC喷注标记任务中,SymbolNet能处理16个输入特征,表现优于传统方法。在MNIST数据集上,SymbolNet处理784个输入特征,保持高精度同时减少计算资源。在SVHN数据集上,SymbolNet处理3072个输入特征,显著提高了推理速度。

应用场景

SymbolNet在需要低延迟推理的场景中具有广泛的应用潜力,尤其是在高能物理实验和其他资源受限环境中。

局限与展望

在极端稀疏情况下,模型可能会过度简化,导致精度下降。对剪枝参数的选择敏感,需仔细调试。未来工作将进一步优化剪枝策略并探索更多应用场景。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个厨房,SymbolNet就像一个聪明的厨师,能够在做菜的过程中自动选择最合适的食材和烹饪方法。传统的厨师可能需要逐步尝试不同的食材组合,而SymbolNet可以在一次烹饪过程中动态调整食材和方法,确保菜品既美味又高效。通过这种方式,SymbolNet在保持菜品质量的同时,显著减少了食材的浪费和烹饪时间。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,需要在有限的时间内完成任务。SymbolNet就像一个超级助手,能够在游戏过程中自动选择最合适的道具和策略,帮助你快速完成任务。传统的方法可能需要你逐步尝试不同的道具组合,而SymbolNet可以在一次游戏过程中动态调整道具和策略,确保你既能赢得游戏,又能节省时间和资源。

术语表

符号回归 (Symbolic Regression)

符号回归是一种寻找最佳拟合数据的解析表达式的监督学习方法。

用于寻找高维数据集的紧凑表达式。

动态剪枝 (Dynamic Pruning)

动态剪枝是一种在训练过程中自动调整模型参数的技术,以实现目标稀疏比。

用于优化模型权重、输入特征和数学运算符。

稀疏正则化 (Sparsity Regularization)

稀疏正则化是一种通过引入正则化项来控制模型复杂度的技术。

用于自动调整剪枝强度,实现目标稀疏比。

FPGA (现场可编程门阵列)

FPGA是一种可编程的硬件设备,常用于需要高效计算的场景。

SymbolNet在FPGA上实现低延迟推理。

LHC喷注标记任务 (LHC Jet Tagging Task)

LHC喷注标记任务是一种高能物理实验中的数据分析任务。

SymbolNet在该任务中验证了其高效性。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在极端稀疏情况下保持模型的高精度?
  • 2 SymbolNet在其他硬件平台上的适用性如何?

应用场景

近期应用

高能物理实验

在LHC等高能物理实验中,SymbolNet可用于实时数据分析,提升计算效率。

远期愿景

智能硬件设备

SymbolNet可用于开发更高效的智能硬件设备,支持复杂计算任务。

原文摘要

Compact symbolic expressions have been shown to be more efficient than neural network models in terms of resource consumption and inference speed when implemented on custom hardware such as FPGAs, while maintaining comparable accuracy~\cite{tsoi2023symbolic}. These capabilities are highly valuable in environments with stringent computational resource constraints, such as high-energy physics experiments at the CERN Large Hadron Collider. However, finding compact expressions for high-dimensional datasets remains challenging due to the inherent limitations of genetic programming, the search algorithm of most symbolic regression methods. Contrary to genetic programming, the neural network approach to symbolic regression offers scalability to high-dimensional inputs and leverages gradient methods for faster equation searching. Common ways of constraining expression complexity often involve multistage pruning with fine-tuning, which can result in significant performance loss. In this work, we propose $\tt{SymbolNet}$, a neural network approach to symbolic regression specifically designed as a model compression technique, aimed at enabling low-latency inference for high-dimensional inputs on custom hardware such as FPGAs. This framework allows dynamic pruning of model weights, input features, and mathematical operators in a single training process, where both training loss and expression complexity are optimized simultaneously. We introduce a sparsity regularization term for each pruning type, which can adaptively adjust its strength, leading to convergence at a target sparsity ratio. Unlike most existing symbolic regression methods that struggle with datasets containing more than $\mathcal{O}(10)$ inputs, we demonstrate the effectiveness of our model on the LHC jet tagging task (16 inputs), MNIST (784 inputs), and SVHN (3072 inputs).

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