QA派｜GNN工业应用-PinSAGE

文 · 成森      封面 · pixabay

QA派｜GNN工业应用-PinSAGE

• 基本概念

• pins是什么意思？

• PinSAGE论文中的数据集有多大？

• PinSAGE使用的是什么图？

• PinSAGE的任务是什么？

• PinSAGE有特别区分pin节点和board节点吗？

• 和GraphSAGE相比，PinSAGE改进了什么？

• PinSAGE使用多大的计算资源？

• PinSAGE和node2vec、DeepWalk这些有啥区别？

• 聚合函数

• PinSAGE的单层聚合过程是怎样的？

• 为什么要将邻居节点的聚合embedding和当前节点的拼接？

• 采样

• PinSAGE是如何采样的？

• PinSAGE的邻居节点的重要性是如何计算的？

• 重要性采样的好处是什么？

• 采样的大小是多少比较好？

• MiniBatch

• PinSAGE的minibatch和GraphSAGE有啥不一样？

• batch应该选多大？

• 训练

• PinSAGE使用什么损失函数？

• PinSAGE如何定义标签(正例/负例)？

• PinSAGE用什么方法提高模型训练的鲁棒性和收敛性？

• 负采样

• PinSAGE如何进行负采样？

• 训练时简单地负采样，会有什么问题？

• 如何解决简单负采样带来的问题？

• 如果只使用“hard”负样本，会有什么问题？

• 如何解决只使用“hard”负采样带来的问题？

• 如何区分采样、负采样、”hard“负采样？

• 推理

• 直接为使用训练好的模型产生embedding有啥问题？

• 如何解决推理时重复计算的问题？

• 下游任务如何应用PinSAGE产生的embedding？

• 如何为用户进行个性化推荐？

• 工程性技巧

• pin样本的特征如何构建？

• board样本的特征如何构建？

• 如何使用多GPU并行训练PinSAGE？

• PinSAGE为什么要使用生产者-消费者模式？

• PinSAGE是如何使用生产者-消费者模式？

基本概念

pins是什么意思？

Pinterest是一个图片素材网站，pins是指图片，而boards则是图片收藏夹的意思。

Pinterest会根据用户的浏览历史来向用户推荐图片。

PinSAGE论文中的数据集有多大？

论文中涉及到的数据为20亿图片（pins），10亿画板（boards），180亿边（pins与boards连接关系）。

用于训练、评估的完整数据集大概有18TB，而完整的输出embedding有4TB。

PinSAGE使用的是什么图？

在论文中，pins集合（用I表示）和boards集合（用C表示）构成了 二分图 ，即pins仅与boards相连接，pins或boards内部无连接。

同时，这二分图可以更加通用：

• I 可以表示为 样本集 （a set of items），
• C 可以表示为 用户定义的上下文或集合 (a set of user-defined contexts or collections)。

PinSAGE的任务是什么？

利用pin-board 二分图的结构与节点特征 ，为pin生成高质量的embedding用于下游任务，比如pins推荐。

PinSAGE有特别区分pin节点和board节点吗？

没有。PinSAGE并没有明确区分pin节点和board节点。

只使用节点来作为一般指代。

和GraphSAGE相比，PinSAGE改进了什么？

1. 采样 ：使用重要性采样替代GraphSAGE的均匀采样；
2. 聚合函数 ：聚合函数考虑了边的权重；
3. 生产者-消费者模式的minibatch构建 ：在CPU端采样节点和构建特征，构建计算图；在GPU端在这些子图上进行卷积运算；从而可以低延迟地随机游走构建子图，而不需要把整个图存在显存中。
4. 高效的MapReduce推理 ：可以分布式地为百万以上的节点生成embedding，最大化地减少重复计算。

这里的计算图，指的是用于卷积运算的局部图（或者叫子图），通过采样来形成；与TensorFlow等框架的计算图不是一个概念。

PinSAGE使用多大的计算资源？

训练时，PinSAGE使用32核CPU、16张Tesla K80显卡、500GB内存；

推理时，MapReduce运行在378个d2.8xlarge Amazon AWS节点的Hadoop2集群。

PinSAGE和node2vec、DeepWalk这些有啥区别？

1. node2vec，DeepWalk是无监督训练；PinSAGE是有监督训练；
2. node2vec，DeepWalk不能利用节点特征；PinSAGE可以；
3. node2vec，DeepWalk这些模型的参数和节点数呈线性关系，很难应用在超大型的图上。

聚合函数

PinSAGE的单层聚合过程是怎样的？

和GraphSAGE一样，PinSAGE的核心就是一个 局部卷积算子 ，用来学习如何聚合邻居节点信息。

如下图算法1所示，PinSAGE的聚合函数叫做CONVOLVE。

主要分为3部分：

1. 聚合 （第1行）：k-1层邻居节点的表征经过一层DNN，然后聚合（可以考虑边的权重）， 是聚合函数符号，聚合函数可以是max/mean-pooling、加权求和、求平均；
2. 更新 （第2行）： 拼接 第k-1层目标节点的embedding，然后再经过另一层DNN，形成目标节点新的embedding；
3. 归一化 （第3行）： 归一化 目标节点新的embedding，使得训练更加稳定；而且归一化后，使用近似最近邻居搜索的效率更高。

为什么要将邻居节点的聚合embedding和当前节点的拼接？

因为根据T.N Kipf的GCN论文，concat的效果要比直接取平均更好。

采样

PinSAGE是如何采样的？

如何采样这个问题从另一个角度来看就是：如何为目标节点构建邻居节点。

和GraphSAGE的均匀采样不一样的是，PinSAGE使用的是重要性采样。

PinSAGE对邻居节点的定义是：对目标节点 影响力最大 的T个节点。

PinSAGE的邻居节点的重要性是如何计算的？

其影响力的计算方法有以下步骤：

1. 从目标节点开始随机游走；
2. 使用 正则 来计算节点的“访问次数”，得到重要性分数；

目标节点的邻居节点，则是重要性分数最高的前T个节点。

这个重要性分数，其实可以近似看成Personalized PageRank分数。

关于随机游走，可以阅读《Pixie: A System for Recommending 3+ Billion Items to 200+ Million Users in Real-Time》

重要性采样的好处是什么？

1. 和GraphSAGE一样，可以使得 邻居节点的数量固定 ，便于控制内存/显存的使用。
2. 在聚合邻居节点时，可以考虑节点的重要性；在PinSAGE实践中，使用的就是 加权平均 （weighted-mean），原文把它称作 importance pooling 。

采样的大小是多少比较好？

从PinSAGE的实验可以看出，随着邻居节点的增加，而收益会递减；

并且两层GCN在 邻居数为50 时能够更好的抓取节点的邻居信息，同时保持运算效率。

MiniBatch

PinSAGE的minibatch和GraphSAGE有啥不一样？

基本一致，但细节上有所区别。比如说：

• GraphSAGE聚合时就更新了embedding；
• PinSAGE则在聚合后需要再经过一层DNN才更新目标embedding（算法2中的15～17行）。

batch应该选多大？

毕竟要在大量的样本上进行训练（有上亿个节点），所以原文里使用的batch比较大，大小为512～4096。

从下面表格可以看到， batch的大小为2048 时，能够在每次迭代时间、迭代次数和总训练时间上取得一个不错的综合性能。

训练

PinSAGE使用什么损失函数？

训练损失使用的是max-margin ranking loss，即 最大化 正例之间的相似性，同时保证与负例之间相似性 小于 正例间的相似性。

其损失函数是：

可以看到：

• 相似度由内积来计算；
• 表示样本q的负样本分布
• ：表示超参数-幅度(the margin hyper-parameter)

PinSAGE如何定义标签(正例/负例)？

PinSage中采用的是有监督训练，使用已标注的样本对 （labeled pairs of item），这是假设样本i和样本q有关联性；样本i被认为是点击了样本q后的理想推荐候选项。

正样本来自于用户的历史记录。用户点击了图片q后，立即点击了图片i，这就形成了样本对 。而其他样本则被认为是负样本。

PinSAGE用什么方法提高模型训练的鲁棒性和收敛性？

PinSAGE使用“harder-and-harder”的训练样本来渐进训练，即逐渐提高样本的“区分难度”，使得模型更加鲁棒。

而这个“越来越难”的样本，请看下面的“hard”负样本。

负采样

PinSAGE如何进行负采样？

在每个minibatch包含节点的范围之外随机采样500个样本作为minibatch所有目标项 共享 的负样本集合。

与每个节点单独负采样相比，这样的做法做大大减少了训练时embedding的数量。

实践中，这两种做法在性能上并没有什么显著差异。

训练时简单地负采样，会有什么问题？

在最简单的情况，我们可以从所有的样本中均匀地抽取负样本。

然而这么做，就会使得目标节点与正样本的内积能够 轻松地大于 与这负采样500个样本的内积，这样就没法训练模型了。

在实践中，模型应该在从20亿张图片中能够给出1000张最相关的候选项；也就是说，要从200万张图片中找到1张。

而只是随机负采样500项，该模型的分辨率只有五百分之一（模型分辨的粒度过粗），也就说很大概率无法分辨出最相关项；

如何解决简单负采样带来的问题？

为了解决简单负采样带来的问题，对于每个目标项，PinSAGE为其增加了一种“hard”负样本；

"hard"负采样的项，与目标项相似（比随机负采样相似，因此对模型进行排序更有挑战性，能够使得模型能够以更细颗粒度地区分样本），但与正样本不相关；

"hard"负采样是这样获取的：

1. 采样时的随机游走，能够获得每个节点相对 目标节点 的重要性分值，对这些分数进行 排序 ；
2. 随机选取 一定数量 且 排序位置在2000~5000 的样本作为“hard”负样本；

如果只使用“hard”负样本，会有什么问题？

如果训练全程都使用“hard”负样本，会导致模型收敛速度减半，训练迭代次数加倍。

如何解决只使用“hard”负采样带来的问题？

PinSage采用了一种 Curriculum训练 的方式，这里我理解是一种渐进式训练方法，即：

1. 第一轮训练只使用 简单负采样 ，帮助模型参数快速收敛到一个loss比较低的范围；
2. 后续训练中逐步加入**“hard”负样本**，让模型学会将很相似的样本与略相似的样本区分开；方式是：第n轮训练时给每张图片的负样本集合中增加 n-1 个“hard”负样本。

更多可以阅读ICML 2009的《Curriculum learning》

如何区分采样、负采样、”hard“负采样？

也许会弄混了这三个采样：

1. 采样 ：通过重要性分数为目标节点选取固定数量的邻居节点；
2. 负采样 ：随机采集正样本之外的样本用作训练的负例；
3. “hard”负采样 ：为了解决简单负采样导致的模型训练分辨率过低的问题，选取和目标项较为相似但和正样本不相关的样本作为明确的负例；

在PinSAGE中，有12亿个样本对作为训练正例，每个batch有500个全局随机抽取的负例，而每一张图片又有6个“hard”负例。

推理

直接为使用训练好的模型产生embedding有啥问题？

邻居节点的重合，这就导致了计算embedding时必然会有重复的计算。

而且随着邻居的阶数越高，这种重复的概率就越大，则会浪费更多的算力在重复计算上。

如何解决推理时重复计算的问题？

PinSAGE使用一种 MapReduce 的方法来进行模型推理而不需要重复计算。

MapReduce流程有两个关键部分：

1. 先把所有的pins映射到一个低维度空间；
2. board的embedding是通过pooling其邻居节点（已采样的pins）的特征来获得。

为了避免重复计算，每个节点的向量只计算一次；

board的embedding获得之后，则使用更多的MapReduce任务器来计算第二层pins的embedding，以此类推到更多的层。

因为原文里假设只有Pin有特征，所以聚合层数必须为偶数。

向量最终都会存在数据库中，供下游任务使用。

实验证明，MapReduce方法能够在 不到24小时 的时间内为所有30亿个样本生成embedding。

下游任务如何应用PinSAGE产生的embedding？

在很多情况，可以直接通过 近邻查找 的方法来利用embedding做推荐，也就是给定一个查询目标，我们可以用KNN中前K个项来推荐。

近似KNN可以通过 局部敏感哈希 （locality sensitive hashing）来更有效地进行查询：

1. 计算哈希；
2. 基于Weak AND算子的两层检索过程来检索出候选项。

这样的设置，使得PinSAGE能够实现在线推荐。

如何为用户进行个性化推荐？

PinSAGE把这一任务成为 home/news feed recommendation。

同样是使用近邻查找的方法，但目标查询项是来自 用户最近收藏的图片 。

工程性技巧

pin样本的特征如何构建？

Pinterest的业务场景中，每个pin通常有一张图片和一系列的文字标注（标题，描述等），因此图中每个节点的原始特征表示由下面三种特征拼接而成：

1. 图片Embedding （4096维），由VGG-16的第六层全连接层生成；
2. 文字Embedding （256维），由Word2Vec训练得到；
3. pin节点在图中的 度的log值 。

board样本的特征如何构建？

MapReduce部分提到过，board的embedding是通过 pooling其邻居节点 （已采样的pins）的特征来获得。

如何使用多GPU并行训练PinSAGE？

每一个minibatch分成 等大 的部分，每个GPU计算一个minibatch，计算时所有GPU都 共享 相同的参数；

反向传播后，把所有GPU各自的参数的梯度 聚合 起来，然后执行 同步SGD （synchronous SGD）。

为了能够能够在大batch上快速收敛并保证训练和泛化的进度，论文里使用 渐进warmup 的策略：

1. 在第一个epoch中从 较小的学习率 开始，一直以 线性方式提高 学习率到峰值；
2. 然后又以 指数方式减少 学习率。

关于这个策略可以阅读《Accurate, Large Minibatch SGD: Training ImageNet in 1 Hour》。

PinSAGE为什么要使用生产者-消费者模式？

训练过程中，上亿节点的邻接表和特征矩阵都是存在内存里的，然而CONVOLVE的聚合操作却在GPU上执行，从GPU访问内存并不是一个高效的过程。

在PinSAGE中，生成者是指CPU，产生minibatch；消费者是GPU，计算minibatch。

PinSAGE是如何使用生产者-消费者模式？

为了解决GPU访问内存低效的问题，PinSAGE使用一种叫做re-indexing的技术：

1. 构建一个子图，这个子图包含当前minibatch的目标节点集和它们的邻居节点；
2. 这个子图包含的节点的特征会被抽出来，这样就形成了一个比较小的特征矩阵；
3. 每一次开始一个minibatch迭代时，把子图的邻接表和特征矩阵送进GPU；而CPU则开始处理下一次迭代的计算。

这样的步骤，使得PinSAGE在聚合时没有GPU和CPU之间的数据交换，极大地提高了GPU的使用效率。原文指出这样的做法几乎减少一半的训练时间。

使用多塔训练（multi-tower training）使得GPU计算并行化，而CPU的计算使用OpenMP，它们各自的任务分别是：

1. CPU ：负责提取样本特征，re-index，负采样等计算；
2. GPU ：只负责minibatch的计算。

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