秒秒鐘揪出張量形狀錯誤，這個工具能防止ML模型訓練白忙一場
首爾大學最新開發PyTea
函擎 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
模型吭哧吭哧訓練了半天，結果發現張量形狀定義錯了，這一定沒少讓你抓狂吧。
那么針對這種情況，是否存在較好的解決方法呢？
這不最近，韓國首爾大學的研究者就開發出了一款“利器”——PyTea。
據研究人員介紹，它在訓練模型前，能幾秒內幫助你靜態分析潛在的張量形狀錯誤。
那么PyTea是如何做到的，到底靠不靠譜，讓我們一探究竟吧。
PyTea的出場方式
為什么張量形狀錯誤這么重要？
神經網絡涉及到一系列的矩陣計算，前面矩陣的列數必需匹配后面矩陣的行數，如果維度不匹配，那后面的運算就都無法運行了。
上圖代碼就是一個典型的張量形狀錯誤，[B x 120] * [80 x 10]無法進行矩陣運算。
無論是PyTorch，TensorFlow還是Keras在進行神經網絡的訓練時，大多都遵循圖上的流程。
首先定義一系列神經網絡層（也就是矩陣），然后合成神經網絡模塊……
那么為什么需要PyTea呢？
以往我們都是在模型讀取大量數據，開始訓練，代碼運行到錯誤張量處，才可以發現張量形狀定義錯誤。
由于模型可能十分復雜，訓練數據非常龐大，所以發現錯誤的時間成本會很高，有時候代碼放在后臺訓練，出了問題都不知道……
PyTea就可以有效幫我們避免這個問題，因為它能在運行模型代碼之前，就幫我們分析出形狀錯誤。
網友們已經在熱烈討論了。
PyTea是如何運作的，它能否有效地檢查出錯誤呢？
受各種約束條件的影響，代碼可能的運行路徑有很多，不同的數據會走向不同的路徑。
所以PyTea需要靜態掃描所有可能的運行路徑，跟蹤張量變化，推斷出每個張量形狀精確而保守的范圍。
上圖就是PyTea的整體架構，一共分為翻譯語言，收集約束條件，求解器判斷和給出反饋四步。
首先PyTea將原始的Python代碼翻譯成一種內核語言。PyTea內部表示法（PyTea IR）。
接著PyTea追蹤PyTea IR每個可能的執行路徑，并收集有關張量形狀的約束條件。
判斷約束條件是否被滿足，分為線上分析和離線分析兩步：
- 線上分析 node.js（TypeScript / JavaScript）：查找張量形狀數值上的不匹配和誤用API函數的情況。如果PyTea發現問題，就會停止在當前位置，然后給用戶報錯。
- 離線分析 Z3/Python：如果線上分析沒有問題，PyTea將收集到的約束條件傳給SMT（Satisfiability Modulo Theories）求解器 Z3，求解器負責查看每條路徑的約束條件是否都能被滿足，如果不能，返回給用戶第一條出錯路徑的約束條件。
如果求解器過久沒有反應，PyTea會返回不知道是否存在問題。
然而追蹤所有可能的路徑是指數級別的任務，對于復雜的神經網絡來說，一定會發生路徑爆炸這個問題。
比如說在這個例子中，網絡的最終結構是由24個相同模塊塊構成的（第17行），那么可能的路徑就有16M之多。
所以路徑爆炸是一定要處理的，PyTea是怎么做的？
PyTea選擇保守的地對路徑剪枝和超時判斷來處理這種路徑爆炸。
什么樣的路徑可以被剪枝？
PyTea給出的答案是，如果該前饋函數不改變全局值，并且它的輸出值不受分支條件影響，對于每條路徑都是相等的，我們就可以忽略許多完全一致的路徑，來節約計算資源。
如果路徑剪枝還是不行，那么就只能按超時處理了。
原理就介紹這么多了，感覺還是值得一試的，現在代碼已經在GitHub上面開源了，快去看看吧！
使用方法
依賴庫：
安裝方法：
運行命令：
參考鏈接：
[1]https://github.com/ropas/pytea
[2]https://arxiv.org/abs/2112.09037
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