In essence, a neural network is an arbitrary differentiable, parametrized function. Choosing a neural network architecture for any task is as complex as searching the space of those functions. For the last few years, 'neural architecture design' has been largely synonymous with 'neural architecture search' (NAS), i.e. brute-force, large-scale search. NAS has yielded significant gains on practical tasks. However, NAS methods end up searching for a local optimum in architecture space in a small neighborhood around architectures that often go back decades, based on CNN or LSTM. In this work, we present a different and complementary approach to architecture design, which we term 'zero-shot architecture design' (ZSAD). We develop methods that can predict, without any training, whether an architecture will achieve a relatively high test or training error on a task after training. We then go on to explain the error in terms of the architecture definition itself and develop tools for modifying the architecture based on this explanation. This confers an unprecedented level of control on the deep learning practitioner. They can make informed design decisions before the first line of code is written, even for tasks for which no prior art exists. Our first major contribution is to show that the 'degree of nonlinearity' of a neural architecture is a key causal driver behind its performance, and a primary aspect of the architecture's model complexity. We introduce the 'nonlinearity coefficient' (NLC), a scalar metric for measuring nonlinearity. Via extensive empirical study, we show that the value of the NLC in the architecture's randomly initialized state before training is a powerful predictor of test error after training and that attaining a right-sized NLC is essential for attaining an optimal test error. The NLC is also conceptually simple, well-defined for any feedforward network, easy and cheap to compute, has extensive theoretical, empirical and conceptual grounding, follows instructively from the architecture definition, and can be easily controlled via our 'nonlinearity normalization' algorithm. We argue that the NLC is the most powerful scalar statistic for architecture design specifically and neural network analysis in general. Our analysis is fueled by mean field theory, which we use to uncover the 'meta-distribution' of layers. Beyond the NLC, we uncover and flesh out a range of metrics and properties that have a significant explanatory influence on test and training error. We go on to explain the majority of the error variation across a wide range of randomly generated architectures with these metrics and properties. We compile our insights into a practical guide for architecture designers, which we argue can significantly shorten the trial-and-error phase of deep learning deployment. Our results are grounded in an experimental protocol that exceeds that of the vast majority of other deep learning studies in terms of carefulness and rigor. We study the impact of e.g. dataset, learning rate, floating-point precision, loss function, statistical estimation error and batch inter-dependency on performance and other key properties. We promote research practices that we believe can significantly accelerate progress in architecture design research.


翻译:本质上, 神经网络是一个任意的、 可分解的、 半解的功能。 选择神经网络结构结构来做任何任务, 和搜索这些功能的空间一样复杂。 过去几年里, “ 神经结构设计” 基本上等同于“ 神经结构搜索 ” (NAS), 也就是说, 粗力, 大规模搜索。 NAS 在实际任务上取得了显著的收益。 但是, NAS 方法最终会寻找一个本地建筑空间的最佳地方性, 建筑空间的小型邻里, 通常会以CNN 或 LSTM 为基础, 容易地追溯到几十年。 在这项工作中, 我们提出一个不同的神经网络网络结构设计, 最先用“ 零射建筑设计 ” (ZSAD ) 。 我们制定的方法可以预测, 在培训之后, 是否实现相对较高的测试或训练一般任务。 然后, 我们从建筑定义本身和根据这个解释, 开发模型, 也可以直接地, 给深层次的实践者带来前所未有的控制水平。 在进行知情的设计决定之前, 我们最初的代码中, 将显示一个主要的系统结构, 显示我们之前的系统结构。

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