Efficience et redondance dans les modèles d’apprentissage profond : considérations théoriques et applications pratiques

Efficiency and Redundancy in Deep Learning Models : Theoretical Considerations and Practical Applications

• Auteur / Autrice : Pierre Stock
• Direction : Rémi Gribonval, Hervé Jégou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Facebook Artificial Intelligence Research (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....) - Dynamic Networks : Temporal and Structural Capture Approach - Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) - Parcimonie et Nouveaux Algorithmes pour le Signal et la Modélisation Audio
• Jury : Président / Présidente : Julie Delon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Gribonval, Hervé Jégou, Julie Delon, François Malgouyres, Raquel Urtasun, Patrick Pérez, Gabriel Peyré, Aline Roumy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Malgouyres, Raquel Urtasun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Données -- Compression (informatique)

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage profond

Compression

Quantification

Efficience

Deep Learning

Compression

Quantization

Efficiency

Résumé

Les réseaux de neurones profonds sont à l'origine de percées majeures en intelligence artificielle. Ce succès s'explique en partie par un passage à l'échelle en termes de puissance de calcul, d'ensembles de données d'entrainement et de taille des modèles considérés -- le dernier point ayant été rendu possible en construisant des réseaux de plus en plus profonds. Dans cette thèse, partant du constat que de tels modèles sont difficiles à appréhender et à entrainer, nous étudions l'ensemble des réseaux de neurones à travers leurs classes d'équivalence fonctionnelles, ce qui permet de les grouper par orbites et de ne manipuler qu'un représentant bien choisi. Ces considérations théoriques nous ont permis de proposer une variante de l'algorithme de descente de gradient stochastique qui consiste à insérer, au cours des itérations, des étapes permettant de choisir le représentant de la classe d'équivalence courante minimisant une certaine énergie. La redondance des paramètres de réseaux profonds de neurones mise en lumière dans ce premier volet amène naturellement à la question de l'efficience de tels réseaux, et donc de leur compression. Nous développons une nouvelle méthode de compression, appelée iPQ et reposant sur de la quantification vectorielle, prouvant qu'il est possible de réduire considérablement la taille d'un réseau tout en préservant sa capacité de prédiction. En combinant iPQ avec une procédure de pré-conditionnement appelée Quant-Noise qui consiste à injecter du bruit de quantification dans le réseau avant sa compression, nous obtenons des résultats état de l’art en termes de compromis taille/capacité de prédiction. Voulant confronter nos recherches à des contraintes de type produit, nous proposons enfin une application de ces algorithmes permettant un appel vidéo à très faible bande passante, déployée sur un téléphone portable et fonctionnant en temps réel.

Deep Neural Networks led to major breakthroughs in artificial intelligence. This unreasonable effectiveness is explained in part by a scaling-up in terms of computing power, available datasets and model size -- the latter was achieved by building deeper and deeper networks. In this thesis, recognizing that such models are hard to comprehend and to train, we study the set of neural networks under the prism of their functional equivalence classes in order to group networks by orbits and to only manipulate one carefully selected representant. Based on these theoretical considerations, we propose a variant of the stochastic gradient descent (SGD) algorithm which amounts to inserting, between the SGD iterations, additional steps allowing us to select the representant of the current equivalence class that minimizes a certain energy. The redundancy of the network's parameters highlighted in the first part naturally leads to the question of the efficiency of such networks, hence to the question of their compression. We develop a novel method, iPQ, relying on vector quantization that drastically reduces the size of a network while preserving its accuracy. When combining iPQ with a new pre-conditioning technique called Quant-Noise that injects quantization noise in the network before its compression, we obtain state-of-the-art tradeoffs in terms of size/accuracy. Finally, willing to confront such algorithms to product constraints, we propose an application allowing anyone to make an ultra-low bandwidth video call that is deployed on-device and runs in real time.