機(jī)器之心報(bào)道

機(jī)器之心編輯部

不用換模型、不用堆參數(shù)，靠 SUGAR 模型性能大增！

在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中，對(duì)激活函數(shù)的探討已成為一個(gè)獨(dú)立的研究方向。例如 GELU、SELU 和 SiLU 等函數(shù)憑借其平滑梯度與卓越的收斂特性，已成為熱門選擇。

盡管這一趨勢(shì)盛行，經(jīng)典 ReLU 函數(shù)仍因其簡(jiǎn)潔性、固有稀疏性及其他優(yōu)勢(shì)拓?fù)涮匦远鴱V受青睞。

然而 ReLU 單元易陷入所謂的「死亡 ReLU 問題」， 一旦某個(gè)神經(jīng)元在訓(xùn)練中輸出恒為 0，其梯度也為 0，無法再恢復(fù)。 這一現(xiàn)象最終制約了其整體效能，也是 ReLU 網(wǎng)絡(luò)的重大缺陷。

正是死亡 ReLU 問題催生了大量改進(jìn)的線性單元函數(shù)，包括但不限于：LeakyReLU、PReLU、GELU、SELU、SiLU/Swish 以及 ELU。這些函數(shù)通過為負(fù)預(yù)激活值引入非零激活，提供了不同的權(quán)衡。

本文，來自德國(guó)呂貝克大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者引入了一種新穎的方法：SUGAR（Surrogate Gradient for ReLU），在不犧牲 ReLU 優(yōu)勢(shì)的情況下解決了 ReLU 的局限性。即前向傳播仍使用標(biāo)準(zhǔn) ReLU（保持其稀疏性和簡(jiǎn)單性），反向傳播時(shí)替換 ReLU 的導(dǎo)數(shù)為一個(gè)非零、連續(xù)的替代梯度函數(shù)（surrogate gradient）。

這樣可以讓 ReLU 在保持原始前向行為的同時(shí)，避免梯度為零的問題，從而復(fù)活死神經(jīng)元。

基于此，本文還設(shè)計(jì)了兩種新型替代梯度函數(shù)：B-SiLU（Bounded SiLU）、 NeLU（Negative slope Linear Unit），可以無縫集成到各種模型中。

本研究的進(jìn)一步貢獻(xiàn)如下：

• 本文對(duì) VGG-16 和 ResNet-18 進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)，表明 SUGAR 顯著增強(qiáng)了這兩種架構(gòu)的泛化能力。
• 本文在Swin Transformer和 Conv2NeXt 等現(xiàn)代架構(gòu)上對(duì) SUGAR 進(jìn)行了評(píng)估，展示了其適應(yīng)性和有效性。
• 對(duì) VGG-16 層激活的深入分析表明，當(dāng)應(yīng)用 SUGAR 時(shí)，激活分布發(fā)生了明顯的變化，為其在緩解消亡 ReLU 問題中的作用提供了直觀證據(jù)，同時(shí)促進(jìn)了更稀疏的表示。

SUGAR 方法易于實(shí)現(xiàn)，并在前向傳播中始終采用 ReLU 激活函數(shù)。與所提出的 B-SiLU 替代函數(shù)結(jié)合使用時(shí)，VGG-16 在 CIFAR-10 和 CIFAR-100 數(shù)據(jù)集上的測(cè)試準(zhǔn)確率分別提升了 10 個(gè)百分點(diǎn)和 16 個(gè)百分點(diǎn)，而 ResNet-18 與未使用 SUGAR 的最佳模型相比，分別提升了 9 個(gè)百分點(diǎn)和 7 個(gè)百分點(diǎn)。

• 論文標(biāo)題： The Resurrection of the ReLU
• 論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2505.22074

SUGAR 介紹

本文提出的方法將 FGI （ Forward gradient injection ）應(yīng)用于具有平滑替代函數(shù)的 ReLU 網(wǎng)絡(luò)中。在 SUGAR 框架下， FGI 可以表示為：

該公式實(shí)現(xiàn)了梯度注入，并確保即使對(duì)于負(fù)激活也能進(jìn)行梯度傳播。具體來說，利用 [34] 中的乘法技巧，替代梯度函數(shù)的直接注入如下：

替代函數(shù)的選擇具有靈活性，可兼容當(dāng)前最先進(jìn)的各類激活函數(shù)，例如 ELU、GELU、SiLU、SELU 以及 Leaky ReLU（見圖 8）。

關(guān)鍵區(qū)別在于，與 ReLU 不同，這些候選替代函數(shù)均具有一個(gè)共同特征：對(duì)負(fù)輸入（x < 0）能產(chǎn)生非零梯度。雖然這些函數(shù)為負(fù)激活提供了梯度流通路徑，但前向傳播及后續(xù)損失計(jì)算仍嚴(yán)格依賴 x > 0 時(shí)的激活輸出。

在初步研究中，本文意識(shí)到需要調(diào)整當(dāng)前的激活函數(shù)以適應(yīng) SUGAR 的特定用途。因此，接下來本文提出了兩個(gè)與這些設(shè)置良好匹配的新替代函數(shù)。

B-SiLU：引入了一種名為 B-SiLU（Bounded Sigmoid Linear Unit） 的新型激活函數(shù)，它結(jié)合了自門控特性和可調(diào)下限參數(shù)。從數(shù)學(xué)上講，該函數(shù)可以表示為：

B-SiLU 激活函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為：

圖 8 中可視化了 B-SiLU 及其導(dǎo)數(shù)。

NeLU：本文進(jìn)一步引入了 NeLU（Negative slope Linear Unit），作為 ReLU 的平滑導(dǎo)數(shù)替代品。

最終的梯度如圖 1 所示。

實(shí)驗(yàn)

總體而言，與 ReLU 基線相比，SUGAR 結(jié)合 ELU、SELU 以及特別是 B-SiLU 獲得了最大的提升，而 LeakyReLU 和 NeLU 則始終表現(xiàn)不佳（見圖 2）。在 CIFAR-10 數(shù)據(jù)集上使用 ResNet-18 作為骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)，B-SiLU 的性能從 76.76% 提升到 86.42%，得益于 SUGAR。VGG-16 也表現(xiàn)出類似的效果：B-SiLU 將測(cè)試精度提高了近 10 個(gè)百分點(diǎn)（從 78.50% 提升到 88.35%）。

在 CIFAR-100 數(shù)據(jù)集上，SUGAR 結(jié)合 B-SiLU 的優(yōu)勢(shì)更加明顯：ResNet-18 的準(zhǔn)確率從 48.99% 躍升至 56.51%，VGG-16 的準(zhǔn)確率從 48.73% 提升至 64.47%（見圖 3）。同樣，Leaky ReLU 和 NeLU 僅顯示出微小的甚至是負(fù)的提升（例如 ResNet-18 上的 43.67% → 43.41%）。

總的來說，B-SiLU 在不同架構(gòu)和數(shù)據(jù)集上均優(yōu)于其他替代激活函數(shù)，ELU 和 SELU 能夠提供可靠的改進(jìn)，而在這種設(shè)置下，SUGAR 從 Leaky ReLU 和 NeLU 中并未獲得有意義的益處。

當(dāng)應(yīng)用于 Conv2NeXt 時(shí)，如表 1 所示，SUGAR 在前向和反向傳播過程中均始終優(yōu)于使用 GELU 的基礎(chǔ)模型。

了解更多內(nèi)容，請(qǐng)參考原論文。