ViT结构优化——Searching the Search Space (S3 NAS)

Paper地址：https://arxiv.org/abs/2111.14725

GitHub链接：https://github.com/microsoft/Cream

概述

网络结构搜索（NAS: Neural-network Architecture Search）的设计收敛，首先取决于搜索空间的设计收敛，其次取决于搜索算法的设计收敛，最终结合平台约束、生成一系列符合Trade-off的优化解（构成Pareto-front）。针对Vision-Transformer，为了获得较之AutoFormer更好的One-shot结构优化效果，AutoFormerV2 (S3 NAS)通过搜索空间的自动优化（Searching the Search Space），实现了不同搜索维度的优化更新，从而获得最佳搜索候选集合（Candidate choices）。

ViT基本模型结构

如上图所示，ViT (Vision-Transformer)的模型结构，主要分为Monolithic结构与Multi-stage结构：

• Monolithic结构：每个Transformer block输出的Patch embeddings，其序列长度与特征维度均相同，因此计算复杂度相对较高，典型如ViT、DeiT；
• Multi-stage结构：
• 将模型划分为多个Stage；在每个Stage内部，Patch embeddings的序列长度与特征维度相同；不同Stage之间，通过Patch merging模块完成特征过渡，实现序列长度降采样、特征维度增长；

Swin-Transformer是Multi-stage模型结构的典型代表，具体结构如上图所示，其中：

• Patch Partition按Patch size=4，将输入Image划分成Patch embeddings、并实现特征维度转换：

# layer definition
proj = nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size)
norm = nn.LayerNorm(embed_dim)

# forward
outputs = norm(proj(images).flatten(2).transpose(1, 2))

• 每个Stage由若干Transformer block构成，每个Block都会执行Window-based Self-Attention (Win-SA)；并且，基于第l个Block的Win-SA计算结果，第(l+1)个Block会先执行Window-shifting操作，随后执行的Win-SA、可实现Cross-window信息交互：

• 不同Stage之间，通过Patch merging实现序列长度的4倍降采样、特征维度的2倍增长：

H, W = self.input_resolution
B, L, C = x.shape
assert L == H * W, "input feature has wrong size"
assert H % 2 == 0 and W % 2 == 0, f"x size ({H}*{W}) are not even."

x = x.view(B, H, W, C)

x0 = x[:, 0::2, 0::2, :]  # B H/2 W/2 C
x1 = x[:, 1::2, 0::2, :]  # B H/2 W/2 C
x2 = x[:, 0::2, 1::2, :]  # B H/2 W/2 C
x3 = x[:, 1::2, 1::2, :]  # B H/2 W/2 C
x = torch.cat([x0, x1, x2, x3], -1)  # B H/2 W/2 4*C
x = x.view(B, -1, 4 * C)  # B H/2*W/2 4*C

x = norm(x) # layer norm
x = reduction(x) # B H/2*W/2 2*C, linear layer

• 由于Swin-Transformer采用了Win-SA、以及Patch merging，因此为了保留各个Window内部不同Patch之间的相对位置信息，需要为Attention编码引入Relative position bias：

q = q * self.scale
attn = (q @ k.transpose(-2, -1))

relative_position_bias = self.relative_position_bias_table[self.relative_position_index.view(-1)].view(
    self.window_size[0] * self.window_size[1], self.window_size[0] * self.window_size[1], -1
)  # Wh*Ww,Wh*Ww,nH
relative_position_bias = relative_position_bias.permute(2, 0, 1).contiguous()  # nH, Wh*Ww, Wh*Ww
attn = attn + relative_position_bias.unsqueeze(0)

Monolithic结构的ViT，涉及的搜索维度可包括Embedding dimension、Q-K-V dimension、Network depth、Number of attention heads、MLP ratio。Multi-stage结构的ViT（如Swin-Transformer），由于引入了Win-SA，且Window size大小会影响计算复杂度与Attention效果，因此也需要将Window size作为搜索维度，以更好地实现计算效率与识别精度的折中。

AutoFormerV2

如上图所示，AutoFormerV2通过不同搜索维度的自动优化搜索（Searching the Search Space），为AutoFormer形式的One-shot NAS提供了更为有效、更为收敛的搜索空间。AutoFormerV2搜索空间的搜索维度，包括Embedding dimension、Q-K-V dimension、Network depth、Number of attention heads、MLP ratio与Window size。

如上图所示，Searching the Search Space主要包括两个步骤：

• 针对第t次迭代，将搜索空间编码进入ViT超网络，然后执行Sandwich采样训练（类似于BigNAS）；Sandwich采样训练，主要采集超网络中的最大模型、最小模型、以及两个随机的中间尺度模型，并融合他们的梯度、以更新超网络权重参数；在训练过程中，不采用Inplace distillation；
• 完成超网络权重更新之后，将搜索空间分解为由不同搜索维度表示的子空间，且可表示为不同子空间的Cartesian product：；针对不同维度的子空间，通过E-T error的统计，以及E-T error关于搜索维度变化趋势的线性拟合（），可实现子空间的优化更新：

完成Vision-Transformer搜索空间的优化搜索之后（实现了搜索空间的设计收敛），基于AutoFormer形式的One-shot NAS，并结合BigNAS的Sandwich采样训练，完成ViT超网络的充分、有效训练（实现了搜索算法的设计收敛）。完成超网络训练之后，进一步通过Evolution Search，能够获得满足平台资源约束的最佳子模型。

基于搜索空间的优化搜索，AutoFormerV2提出了ViT模型结构设计的Guideline：

有关BERT/Transformer模型压缩与优化加速的详细讨论，参考：

Bert/Transformer模型压缩与优化加速_AI Flash-CSDN博客_transformer模型加速

最终，AutoFormerV2的实验结果如下所示（在图像分类、目标检测、语义分割与视觉语言任务上的表现）：