Uber 提出生成式教学网络 GTN，9 倍加速神经网络架构搜索

近期，Uber 的研究人员在一篇名为《 Neural Architecture Search by Learning 》的论文中提出了一种专用 GAN——Generative Teaching Network (GTN) ，它可以生成数据和训练环境，让模型在接受目标任务测试之前先进行一些 SGD 步骤训练，而使用 GTN 再合成数据训练的神经网络比利用真实数据训练得更快。论文还表示，在利用 GTN-NAS 搜索新的神经网络架构时， 速度比使用实际数据快 9 倍 ，而且使用的计算量比典型 NAS 方法少几个数量级 。

生成对抗网络 （英语：Generative Adversarial Network，简称 GAN）是 非监督式学习 的一种方法，通过让两个 神经网络 相互 博弈 的方式进行学习。

GTN，一种深度学习网络

Generative Teaching Network，生成式教学网络，简称 GTN，是 Uber 在近期的一篇论文中提出的深度神经网络，它可以自动生成综合训练数据，较一般利用真实数据训练的方法，能够实现 9 倍加速的神经体系结构搜索。在理论上，GTN 可以生成任何类型的数据或训练环境，并用于监督学习、无监督学习和强化学习，这是一种通用方法。

GTN 就像 生成对抗网络（GAN） 中的 生成 器一样，它生成完全人工的数据，供少数学习步骤使用。之后，GTN 会通过识别经典 MNIST 数据集中手写图像的方式对初始化神经网络进行评估，从而提供正在优化的元损失目标。然后，通过 元梯度 在整个学习过程中进行区分更新 GTN 参数以提高目标任务的性能。

GTN 可以自由创建不真实的数据，从而可以比真实数据更快地学习。例如，GTN 可以将有关许多不同类型对象的信息组合在一起，或者主要将训练重点放在最难的示例上。

为验证 GTN，Uber 的研究人员还利用 GTN 合成的数据在 神经网络架构搜索 （NAS）中进行实验，并在 CIFAR-10 数据集 中进行了测试，结果显示 GTN 对 NAS 所产生的最佳架构有显著改进。

神经网络架构指的某些设计的选择，例如神经网络应具有的层数，每层应有多少个神经元，哪些层应连接到哪一层等。

GTN-NAS，将 GTN 合成数据用于 NAS

为了搜索神经网络架构，Uber 研究人员采用了 许多 论文 的思想， 即 寻找一个小的神经网络模块，然后通过预设的蓝图将其重复组合，以创建各种大小的神经网络架构。一旦发现了高质量的模块，就可以使用它创建一个更大的网络，然后对它进行训练并与实际数据融合，以实现目标任务的收敛。

在 GTN-NAS 中，最终目标是找到一种性能最佳的神经网络架构。而通过实验，Uber 研究人员发现 GTN 生成的数据可以预测出神经网络架构的真实性能（对于 GTN 估计的前 50％神经网络架构，其 Spearman 等级相关系数为 0.56）。例如，根据 GTN 的快速估算，排名前 10％的神经网络架构都具有较高的性能（见下图蓝色方块）。这就意味着研究人员可以使用 GTN 生成的数据，快速评估多种神经网络架构，进而识别出一些优质的架构，将其放在真实数据集上训练之后，就能够较为容易的找出在目标任务上具有高性能的神经网络。

另外，在整个实验过程中，Uber 的研究人员还发现如果想要得到与 GTN 生成数据执行 128 个 SGD 步骤相同的结果，则需要对真实数据执行 1200 个 SGD 步骤，换句话说，使用 GTN 生成的数据比使用真实数据进行神经网络架构搜索 快 9 倍 。

NAS 需要大量的计算资源，它在完整的数据集上训练，直到所产生神经网络的性能不再提高，再选出性能最佳的神经网络，但这种重复执行的过程往往非常昂贵和缓慢。

写在后面

在机器学习中，标记数据的重要性不言而喻，但生成此类数据既耗时又昂贵。Uber 的 GTN 提供了一种新的选项，它可以学习自动生成数据，使新的神经网络快速学习任务；而且通过 GTN，研究人员不仅能够快速评估新神经网络架构的学习潜力，还能很好地探索新的、性能更佳的神经网络架构。