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TensorFlow モデル最適化ツールキット — Pruning API
2019年7月3日水曜日
この記事は TensorFlow - Medium の記事 "
TensorFlow Model Optimization Toolkit — Pruning API
" を元に翻訳・加筆したものです。詳しくは元記事をご覧ください。
TensorFlow モデル最適化ツールキット — Pruning API
モデル最適化ツールキット
は、機械学習モデルを最適化するもので、初心者でも経験を積んだデベロッパーでも使うことができます。このツールキットをリリースしてから、いくつかの新しいアプローチやツールを追加するという
ロードマップ
を実現するための作業を続けてきました。本日は、重みのプルーニング(剪定)を行う新しい API について紹介します。
重みのプルーニング
機械学習プログラムの最適化には、さまざまな形態があります。幸いにも、ニューラル ネットワークでは、このような目的を達成する各種の変換を柔軟に行うことができます。
そのような最適化の 1 つに、計算に必要なパラメータや演算の数を減らすものがあります。これは、ニューラル ネットワークのレイヤー間のつながり(パラメータ)を削除することによって実現します。
重みのプルーニングを行う API は、Keras をベースに構築されています。そのため、このテクニックはどんな既存の Keras トレーニング プログラムにも、とても簡単に適用できます。この API は、今後リリースされる他の最適化テクニックと合わせて、モデル最適化ツールキット用の新しい
GitHub リポジトリ
の一部となる予定です。
https://medium.com/media/d2b05459b56d9a4c385bb1fbf4736fac/href
重みのプルーニングとは
重みのプルーニングとは、重みテンソルの不要な値を削除することを表します。実際には、ニューラル ネットワークのパラメータの値をゼロにすることで、ニューラル ネットワークのレイヤー間の不要なつながりと見なしたものを削除します。ニューラル ネットワークが変化に対応できるように、この処理はトレーニング プロセスで行います。
重みのプルーニングが役立つ理由
重みのプルーニングによってすぐに得られるメリットは、容量の圧縮です。疎なテンソルは圧縮効果が高いので、プルーニングを行った TensorFlow チェックポイントか変換済み TensorFlow Lite モデルに単純なファイル圧縮を適用すれば、モデルの格納サイズや転送サイズを減らすことができます。たとえば、この
チュートリアル
では、MNIST 用の 90% 疎なモデルを 12 MB から 2 MB に圧縮する方法を示しています。
さらに、さまざまな実験から、重みのプルーニングは量子化とも互換性があり、両方のメリットが得られることもわかっています。先ほどのチュートリアルでは、
トレーニング後に量子化を行う
ことで、プルーニングしたモデルを 2 MB からわずか 0.5 MB に圧縮する方法も示しています。
今後
、
TensorFlow Lite
に疎表現と疎計算のファーストクラス サポートを追加して圧縮のメリットを実行時メモリにも拡大し、パフォーマンスの改善を実現したいと考えています。疎なテンソルでは、ゼロになった値の計算は不要で省略できるため、パフォーマンスが向上します。
各種モデルにおける結果
このテクニックが異なるタイプのモデルにうまく適用できるかを検証するため、イメージ処理用の畳み込みベースのニューラル ネットワークから再帰型ニューラル ネットワークを使う音声処理まで、さまざまなタスクで実験を行いました。次の表は、いくつかの実験結果を抜粋したものです。
異なるモデルやタスクでの値をゼロにする割合(sparsity)とその結果。
動作の仕組み
Keras ベースの重みプルーニング API には、簡単ですが幅広く適用できる
アルゴリズム
を使っています。このアルゴリズムは、トレーニング中に値の大きさに基づいて繰り返しつながりを削除するように作られています。まず、最終的に値をゼロにする割合(例: 90%)と、プルーニングを行うスケジュール(例: 2,000 ステップ目から 10,000 ステップ目までの間、100 ステップごとにプルーニングを行う)を指定します。オプションで、プルーニング構造(例: 個々の値に適用するか、ある形状の値のブロックに適用するか)を設定することもできます。
プルーニングを行わないテンソル(左)、1x1 のブロックでプルーニングを行ったテンソル(中央)、1x2 のブロックでプルーニングを行ったテンソル(右)の例。
トレーニングが進むと、プルーニング ルーチンがスケジューリングされて実行され、値をゼロにする割合が達成されるまで、最も小さい値(ゼロに近い値)の重みを削除(ゼロを設定)します。プルーニング ルーチンがスケジューリングされて実行されるたびに、現在値がゼロになっている割合が再計算されます。これは、0% から始まり、プルーニング スケジュールの終わりに最終的な目標が達成されるまで、スムーズなランプアップ関数に従って徐々に増加します。
プルーニングに使うランプアップ関数の例。ステップ 0 からステップ 100 までプルーニングを行うようにスケジューリングし、最終的に値をゼロにする割合を 90% とした場合。
スケジュールと同じく、ランプアップ関数も必要に応じて調整できます。たとえば、ある収束レベルが達成されたステップでトレーニング手続きを開始したり、すべてのトレーニング ステップが行われる前にプルーニングを終了するようにトレーニング プログラムをスケジューリングし、最終的に値をゼロにする割合を実現できた段階でシステムを微調整できると便利な場合もあるでしょう。こういった設定の詳細については、
チュートリアル
や
ドキュメント
をご覧ください。
トレーニング手続きの最後では、「プルーニングされた」Keras レイヤーに対応するテンソルには、そのレイヤーで最終的に値をゼロにする割合に応じてゼロが含まれることになります。
テンソルにプルーニングを適用する様子を表したアニメーション。黒いセルは、ゼロでない重みが存在する場所を示す。トレーニング プロセスが進むにしたがって、値がゼロになる割合が増加する。
新しいドキュメントと GitHub リポジトリ
先ほどもお知らせしたように、重みプルーニング API は、機械学習モデルの実行効率や表現効率を上げることを目的としたテクニックを集めた新しい
GitHub プロジェクトおよびリポジトリ
の一部になる予定です。機械学習のこの領域に興味がある方や、モデルを最適化するリソースを必要としている方は、ぜひこのプロジェクトにスターを付けてください。
この領域の重要性を踏まえ、
tensorflow.org/model_optimization
に新しいサブサイトを作成して関連するドキュメントやリソースを公開しています。ぜひすぐに試してみてください。フィードバックも大歓迎です。また、今後の発表を見逃さないように、このブログもフォローしてください!
謝辞: Raziel Alvarez、Pulkit Bhuwalka、Lawrence Chan、Alan Chiao、Tim Davis、Suyog Gupta、Jian Li、Yunlu Li、Sarah Sirajuddin、Daniel Situnayake、Suharsh Sivakumar
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