ICCV 2021 | BossNAS: Exploring Hybrid CNN-transformers with Block-wisely Self-supervised NAS

本文在block-wise搜索空间上进行了一些关键创新：

提出了一种名为ensemble bootstrapping的训练策略，使得无需依赖教师网络，从而避免了引入biased supervision（候选偏好和教师偏好）。引入了非监督的评估指标（见公式5），并在三个不同的搜索空间和数据集上取得了良好的效果。基于MBConv的搜索空间，在ImageNet上取得了0.78的Spearman相关系数。基于NATS-Bench S_S搜索空间，在CIFAR-100上取得了0.76的Spearman相关系数。提出了HyTra（即CNN+Transformer混合模型）的搜索空间，在ImageNet上达到了82.5%的准确率，比EfficientNet高出2.4%。

方法

2.1 Ensemble Bootstrapping训练

SupernetBossNAS的训练方式与DNA不同。在DNA中，学生网络的每个block是独立训练的，例如学生网络的blockk的输入是教师网络的block{k-1}的输出，然后通过知识蒸馏（MSE损失）使学生网络的输出尽可能与教师网络的输出保持一致。BossNAS认为这种方法会使搜索到的子网与教师网络高度相关，导致搜索结果带有偏见。

为了解决block独立训练的问题，BossNAS提出了Ensemble Bootstrapping策略。

设{S(W, A), T (W^T , α^T )}分别表示学生和教师网络（由权重W和结构A决定）。为了摆脱教师网络带来的束缚（即学生网络很可能非常类似于教师网络的结构，导致偏见和多样性降低），教师网络和学生网络的结构是相同的，即\alpha^T=A 。更具体地说，教师网络使用EMA策略更新的Supernet，而学生网络是常规的Supernet。

假设在某个搜索阶段，我们采样了p个不同的子网，由于使用自监督训练方式，对于同一个样本会有p组不同的增强样本（上图中p=2）。Ensemble Bootstrapping的核心思想是教师网络的第k个block的输出是这p个网络输出的平均值，记为

公式中的\mathcal{W}^{\bullet}表示教师网络的权重，是使用EMA更新的，即\mathcal{W}_{t}^{\bullet}=\tau \mathcal{W}_{t-1}^{\bullet}+(1-\tau) \mathcal{W}_{t}，其中\mathcal{W}_t是online Supernet（学生网络）的权重。

由于每个block彼此之间训练独立，所以每个block的优化方式是一样的，这里给出学生网络第k个block的优化函数。简单来说，子网的输出要与ensemble的结果接近，损失函数使用的是MSE。

完整的优化函数表示如下：

2.2 搜索子网

第2.1节介绍了如何训练Supernet。在训练结束后，BossNAS使用进化算法基于训练好的权重选择模型结构。类似于公式(1)中对教师网络不同路径做ensemble，在搜索时也会对学生网络不同路径做ensemble，第k个block输出的ensemble结果表示如下：

最终最优的网络是每个block的输出最接近ensemble的输出，优化函数表示如下：

3. CNN-Transformer混合搜索空间

3.1 候选块

CNN部分采用的是ResNet的Residual Bottleneck，记为ResConv。Transformer部分是基于BotBlock和NLBlock做了改进的模块，记为ResAtt。

3.2 混合CNN-Transformers

完整的模型结构如下图示，不仅会搜索每一层的block结构，还会搜索每一层的下采样操作（控制分辨率）。

4. 实验

4.1 设置

每个block训练20个epoch，其中第一个epoch是warmup epoch。每个training step随机采样4条路径。

4.2 搜索Hybrid CNN-Transformer的结果

上图展示了使用DNA算法和BossNAS算法在相同的HyTra搜索空间上搜索到的网络结构。可以看到，DNA搜索到的网络更倾向于选择卷积操作，作者解释这是因为DNA使用了教师网络，而教师网络本身带来了biased supervision。文章将这一现象称为候选偏好。

4.3 在MBConv搜索空间上的结果

最终模型在ImageNet上的结果如下表所示，可以看到BossNAS的结果有一点点优势，但不明显。

作者进一步比较了搜索一致性结果（Kendall tau: \tau\tau , Pearson: R , Spearman: \rho ），相关性结果是基于DNA提供的23个模型结构和准确率计算得到的，结果如Table 3所示。可以看到MnasNet的相关性还不错，但由于它是multi-trial方法，所以耗时巨大。此外，我们还可以看到教师网络的选择对DNA算法影响很大。文章将这一现象称为教师偏好，而BossNAS完全不需要教师网络。

4.4 在NATS-Bench S_S搜索空间的结果

该搜索空间基于CIFAR10/100进行试验。

4.5 消融研究

BossNAS的训练和评估都是非监督的，为此作者对比了不同的训练和评估方法对最终结果的影响，结果如Table 5所示。

训练

Supv. distill. 表示supervised distillation，实际上就是DNA算法，即对中间层进行监督学习。Supv. class. 即对最后输出层使用真实标签进行监督学习。Unsupv. bootstrap与本文方法类似，只不过是教师网络和学生网络对应的相同路径进行知识蒸馏。Unsupv. EB: 学生网络的所有路径与教师网络的ensemble结果进行知识蒸馏。

评估

Supv. distill. 和Supv. class类似，就是根据学生和教师网络输出的相似度来评估网络的好坏。Supv. linear eval表示supervised linear evaluation。这是最常规的权重共享的NAS评估方法。具体来说，该方式是首先固定supernet权重，然后微调一个权重共享的线性分类器。这个分类器会与所有子网相连接，每个子网的排序就是根据分类器最后得到的准确率结果决定的。Unsupv. eval就是本文的方法，如公式(5)。

4.6 收敛表现

前面已经提到过，BossNAS的每个block只训练20个epoch就结束了，下图展示了在MBConv搜索空间上，基于ImageNet数据集每个epoch对应的搜索一致性结果。可以看到，基本上在第12个epoch时一致性就基本固定了，另外前期相关性能够快速提升。

在NATS-Bench上也有类似的结果。

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