Frugalité en données et efficacité computationnelle dans l'apprentissage profond

Data frugality and computational efficiency in deep learning

• Auteur / Autrice : Léon Zheng
• Direction : Rémi Gribonval, Patrick Pérez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/05/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....) - Optimisation, Connaissances pHysiques, Algorithmes et Modèles - Valeo ai
• Jury : Président / Présidente : Julien Mairal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Gribonval, Patrick Pérez, Julien Mairal, François Malgouyres, Diane Larlus, Pierre Vandergheynst, Elisa Riccietti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Mairal, François Malgouyres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage profond

Apprentissage auto-supervisé

Factorisation butterfly

Factorisation creuse de matrices

Parcimonie

Réseaux de neurones

Deep learning

Self-supervised learning

Butterfly factorization

Sparse matrix factorization

Sparsity

Neural networks

Résumé

Cette thèse s’intéresse à deux enjeux de frugalité et d’efficacité dans l’apprentissage profond moderne : frugalité en données et efficacité en ressources de calcul. Premièrement, nous étudions l’apprentissage auto-supervisé, une approche prometteuse en vision par ordinateur qui ne nécessite pas d’annotations des données pour l'apprentissage de représentations. En particulier, nous proposons d’unifier plusieurs fonctions objectives auto-supervisées dans un cadre de noyaux invariants par rotation, ce qui ouvre des perspectives en termes de réduction de coût de calcul de ces fonctions objectives. Deuxièmement, étant donné que l’opération prédominante des réseaux de neurones profonds est la multiplication matricielle, nous nous penchons sur la construction d’algorithmes rapides qui permettent d’effectuer la multiplication matrice-vecteur avec une complexité presque linéaire. Plus spécifiquement, nous étudions le problème de factorisation creuse de matrices sous contrainte de parcimonie "butterfly", une structure commune à plusieurs transformées rapides comme la transformée de Fourier discrète. La thèse établit des garanties théoriques sur l’algorithme de factorisation butterfly, et étudie le potentiel de la parcimonie butterfly pour la réduction du coût computationnel des réseaux de neurones lors de leur phase d’apprentissage ou d’inférence. Nous explorons notamment l’efficacité des implémentations GPU de la multiplication matricielle avec parcimonie butterfly, dans le but d’accélérer réellement des réseaux de neurones parcimonieux.

This thesis focuses on two challenges of frugality and efficiency in modern deep learning: data frugality and computational resource efficiency. First, we study self-supervised learning, a promising approach in computer vision that does not require data annotations for learning representations. In particular, we propose a unification of several self-supervised objective functions under a framework based on rotation-invariant kernels, which opens up prospects to reduce the computational cost of these objective functions. Second, given that matrix multiplication is the predominant operation in deep neural networks, we focus on the construction of fast algorithms that allow matrix-vector multiplication with nearly linear complexity. More specifically, we examine the problem of sparse matrix factorization under the constraint of butterfly sparsity, a structure common to several fast transforms like the discrete Fourier transform. The thesis establishes new theoretical guarantees for butterfly factorization algorithms, and explores the potential of butterfly sparsity to reduce the computational costs of neural networks during their training or inference phase. In particular, we explore the efficiency of GPU implementations for butterfly sparse matrix multiplication, with the goal of truly accelerating sparse neural networks.