二值化网络如何训练？这篇ICML 2021论文给你答案

二值化网络（BNN）是一种网络压缩方法，把原本需要 32 bit 表示的神经网络参数值和激活值都二值化到只需要用 1 bit 表示，即 -1/+1 表示。

这种极度的压缩方法在带来优越的压缩性能的同时，会造成网络精度的下降。

在今年的 ICML 会议中，一篇来自 CMU 和 HKUST 科研团队的论文仅通过调整训练算法，在 ImageNet 数据集上取得了比之前的 SOTA BNN 网络 ReActNet 高 1.1% 的分类精度，最终的 top-1 accuracy 达到 70.5%，超过了所有同等量级的二值化网络，如下图所示。

这篇论文从二值化网络训练过程中的常见问题切入，一步步给出对应的解决方案，最后收敛到了一个实用化的训练策略。接下来就跟着这篇论文一起看看二值化网络（BNN）应该如何优化。

• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2106.11309
• 代码地址：https://github.com/liuzechun/AdamBNN

首先，BNN 的优化器应该如何选取?

可以看到，BNN 的优化曲面明显不同于实数值网络，如下图所示。实数值网络在局部最小值附近有更加平滑的曲面，因此实数值网络也更容易泛化到测试集。相比而言，BNN 的优化曲面更陡，因此泛化性差并且优化难度大。

这个明显的优化区别也导致了直接沿用实数值网络的 optimizer 在 BNN 上表现效果并不好。目前实数值分类网络的通用优化器都是 SGD，该论文的对比实验也发现，对于实数值网络而言，SGD 的性能总是优于自适应优化器 Adam。但对于 BNN 而言，SGD 的性能却不如 Adam，如下图所示。这就引发了一个问题：为什么 SGD 在实数值分类网络中是默认的通用优化器，却在 BNN 优化中输给了 Adam 呢？

这就要从 BNN 的特性说起。因为 BNN 中的参数值（weight）和激活值（activation）都是二值化的，这就需要用 sign 函数来把实数值的参数和激活值变成二值化。

而这个 Sign 函数是不可导的，所以常规做法就是对于二值化的激活值用 Clip 函数的导数拟合 Sign 函数的导数。

这样做有一个问题就是，当实数值的激活值超出了 [-1，1] 的范围，称为激活值过饱和（activation saturation），对应的导数值就会变为 0。从而导致了臭名昭著的梯度消失（gradient vanishing）问题。从下图的可视化结果中可以看出，网络内部的激活值超出[-1, 1] 范围十分常见，所以二值化优化里的一个重要问题就是由于激活值过饱和导致的梯度消失，使得参数得不到充分的梯度估计来学习，从而容易困局部次优解里。

而比较 SGD 而言，Adam 优化的二值化网络中激活值过饱和问题和梯度消失问题都有所缓解。这也是 Adam 在 BNN 上效果优于 SGD 的原因。那么为什么 Adam 就能缓解梯度消失的问题呢？这篇论文通过一个构造的超简二维二值网络分析来分析 Adam 和 SGD 优化过程中的轨迹：

图中展示了用两个二元节点构建的网络的优化曲面。(a) 前向传递中，由于二值化函数 Sign 的存在，优化曲面是离散的，(b) 而反向传播中，由于用了 Clip(−1, x, 1)的导数近似 Sign(x)的导数，所以实际优化的空间是由 Clip(−1, x, 1)函数组成的， (c) 从实际的优化的轨迹可以看出，相比 SGD，Adam 优化器更能克服零梯度的局部最优解，(d) 实际优化轨迹的顶视图。

在图 (b) 所示中，反向梯度计算的时候，只有当 X 和 Y 方向都落在[-1, 1] 的范围内的时候，才在两个方向都有梯度，而在这个区域之外的区域，至少有一个方向梯度消失。

而从下式的 SGD 与 Adam 的优化方式比较中可以看出，SGD 的优化方式只计算 first moment，即梯度的平均值，遇到梯度消失问题，对相应的参数的更新值下降极快。而在 Adam 中，Adam 会累加 second moment，即梯度的二次方的平均值，从而在梯度消失的方向，对应放大学习率，增大梯度消失方向的参数更新值。这样能帮助网络越过局部的零梯度区域达到更好的解空间。

进一步，这篇论文展示了一个很有趣的现象，在优化好的 BNN 中，网络内部存储的用于帮助优化的实数值参数呈现一个有规律的分布：

分布分为三个峰，分别在 0 附近，-1 附近和 1 附近。而且 Adam 优化的 BNN 中实数值参数接近 - 1 和 1 的比较多。这个特殊的分布现象就要从 BNN 中实数值参数的作用和物理意义讲起。BNN 中，由于二值化参数无法直接被数量级为 10^ -4 左右大小的导数更新，所以需要存储实数值参数，来积累这些很小的导数值，然后在每次正向计算 loss 的时候取实数值参数的 Sign 作为二值化参数，这样计算出来的 loss 和导数再更新实数值参数，如下图所示。

所以，当这些实数值参数靠近零值时，它们很容易通过梯度更新就改变符号，导致对应的二值化参数容易跳变。而当实值参数的绝对值较高时，就需要累加更多往相反方向的梯度，才能使得对应的二值参数改变符号。所以正如 (Helwegen et al., 2019) 中提到的，实值参数的绝对值的物理意义可以视作其对应二值参数的置信度。实值参数的绝对值越大，对应二值参数置信度更高，更不容易改变符号。从这个角度来看，Adam 学习的网络比 SGD 实值网络更有置信度，也侧面印证了 Adam 对于 BNN 而言是更优的 optimizer。

当然，实值参数的绝对值代表了其对应二值参数的置信度这个推论就引发了另一个思考：应不应该在 BNN 中对实值参数施加 weight decay?

在实数值网络中，对参数施加 weight decay 是为了控制参数的大小，防止过拟合。而在二值化网络中，参与网络计算的是实数值参数的符号，所以加在实数值参数上的 weight decay 并不会影响二值化参数的大小，这也就意味着，weight decay 在二值化网络中的作用也需要重新思考。

这篇论文发现，二值化网络中使用 weight decay 会带来一个困境：高 weight decay 会降低实值参数的大小，进而导致二值参数易变符号且不稳定。而低 weight decay 或者不加 weight decay 会使得二值参数将趋向于保持当前状态，而导致网络容易依赖初始值。

为了量化稳定性和初始值依赖性，该论文引入了两个指标：用于衡量优化稳定性的参数翻转比率（FF-ratio），以及用于衡量对初始化的依赖性的初始值相关度 (C2I-ratio)。两者的公式如下，

FF-ratio 计算了在第 t 次迭代更新后多少参数改变了它们的符号，而 C2I -ratio 计算了多少参数与其初始值符号不同。

从下表的量化分析不同的 weight decay 对网络稳定性和初始值依赖性的结果中可以看出，随着 weight decay 的增加，FF-ratio 与 C2I-ratio 的变化趋势呈负相关，并且 FF-ratio 呈指数增加，而 C2I-ratio 呈线性下降。这表明一些参数值的来回跳变对最终参数没有贡献，而只会影响训练稳定性。

那么 weight decay 带来的稳定性和初始值依赖性的两难困境有没有方法解离呢? 该论文发现最近在 ReActNet (Liu et al., 2020) 和 Real-to-Binary Network (Brais Martinez, 2020) 中提出的两阶段训练法配合合适的 weight-decay 策略能很好地化解这个困境。这个策略是，第一阶段训练中，只对激活值进行二值化，不二值化参数。由于实数值参数不必担心二值化参数跳变的问题，可以添加 weight decay 来减小初始值依赖。随后在第二阶段训练中，二值化激活值和参数，同时用来自第一步训练好的参数初始化二值网络中的实值参数，不施加 weight decay。这样可以提高稳定性并利用预训练的良好初始化减小初始值依赖带来的弊端。通过观察 FF-ratio 和 C2I-ratio，该论文得出结论，第一阶段使用 5e-6 的 weight-decay，第二阶段不施加 weight-decay 效果最优。

该论文综合所有分析得出的训练策略，在用相同的网络结构的情况下，取得了比 state-of-the-art ReActNet 超出 1.1% 的结果。实验结果如下表所示。

更多的分析和结果可以参考原论文。