新智元报道
编辑：Aeneas David
【新智元导读】为加速矩阵乘法，DeepMind的AlphaTensor都有什么神操作？1小时超长视频，带你读懂这篇Nature封面。由浅入深，全网最细。
DeepMind前不久发在Nature上的论文Discovering faster matrix multiplication algorithms with reinforcement learning引发热议。
这篇论文在德国数学家Volken Strassen「用加法换乘法」思路和算法的基础上，构建了一个基于AlphaZero的强化学习模型，更高效地探索进一步提高矩阵乘法速度的通用方法。
最近，Youtube播主Yannic Kilcher发布了一个长达近1小时的自制视频，由浅入深地沿着论文的脉络，对这个登上Nature封面的工作进行了解读。
基本思路：用加法换乘法
众所周知，矩阵乘法的传统算法是：两个矩阵行列交换相乘，然后求和，作为新矩阵的对应元素。其中涉及到大量的加法和乘法运算。
对于计算机来说，运算加法的速度要远远快于乘法，所以提升运算速度的关键，就是尽量减少乘法运算的次数，即使为此增加加法运算次数，对于计算加速的效果也是非常明显的。
遵循这个「用加法换乘法」的基本思路，德国数学家Volken Strassen于1969年发现了更高效、占用计算资源更少的矩阵乘法算法。
实际上，这个思路在一些最基础的数学公式中就已经有充分体现。比如平方差公式：
a^2-b^2 =（a b)*(a-b)
等号左侧计算两次乘法、一次加法，等号右侧计算一次乘法、两次加法。实际上，如果按照多项式乘法对等号右侧展开，实际上发生了正负ab的消去，将乘法运算的次数从4次降低为2次。
Strassen的算法是，利用原矩阵构造一些加乘结合的中间量，每个中间量只包含一次乘法计算，将原矩阵乘法转换为这些中间量的加法运算，将一些符号相反的乘法消去，实现降低乘法运算次数的目的。
在2*2矩阵的乘法中，Strassen的算法将乘法运算次数由8次降为7次。
矩阵乘法的张量表示和低秩分解
那么下一个问题就是，如何找到一种算法，构建能够消去乘法运算的中间量，同时更方便地利用强化学习技术？
DeepMind给出的答案是：将矩阵乘法转换为「低秩分解」问题。
同样以2*2矩阵为例，使用三维张量来表示 AB=C 的矩阵乘法运算过程，其中左右维度（列）为A，上下维度（行）为B，前后维度（深）为C。
用{0,1}对这个表示张量进行填充。C中取到值的部分，填充为1，其余填充为0。如下图所示。
比如，c1=a1*b1 a2*b3，在「最深一层」所表示的c1上，可以看到左上方（第1行第1列）的a1b1，和第3行第2列的a2b3被表示为紫色1，其余为白色0。
在张量表示后，可以通过对矩阵的「低秩分解」，设张量Tn为两个 n×n 矩阵相乘的表示张量。将Tn分解为r个秩一项(rank-one term)的外积。
两个n维向量的外积可以得到一个n×n的矩阵，三个n维向量的外积可以得到一个 n×n×n 的张量。
仍以Strassen的算法为例，低秩分解后的结果，即上式中的U、V、W对应为3个7秩矩阵。这里的分解矩阵的秩决定原矩阵乘法中乘法运算的次数。
实际上，用这个方法可以将n×n矩阵乘法的计算复杂度降低至 O(Nlogn(R)) 。
由此可以设计一种规则，一一对应地得到图（b）中的矩阵乘法算法，即论文中的「算法1」：
建模：基于强化学习的AlphaTensor
DeepMind利用强化学习训练了一个AlphaTensor智能体来玩一个单人游戏（Tensor Game），开始时没有任何关于现有矩阵乘法算法的知识。
这个强化学习模型正是基于此前的AI围棋大师AlphaZero。
那么这个游戏要如何设计，才能将其与矩阵乘法的简化建立联系，从而解决实际问题呢？
应用AlphaZero时，作者有一些特殊的网络架构技巧。
他们使用了线性代数的某些属性，比如，即使我们改变了线性运算的某些基础，问题也是同样的。因此，即使我们改变了矩阵的基础，它在本质上仍然代表同样的转换。
然而，对于这个算法来说，却不是这样的。
有了不同的数字，算法看起来就不同了，因为它是一种对彼此的转换。在这里，作者就很好地利用了线性代数的基本属性，创建出了更多的训练数据。
另外，分解3D张量看起来很难，但创造一个3D张量，就很容易。
我们只需对添加的3个向量进行采样，把它们加在一起，就有了一个三维张量。经过正确的分解，它们还可以创建合成训练数据。
这些技巧都非常聪明，提供了更多的数据给系统。系统经过训练，可以准确地提供这些分解。
让我们分析一下神经网络架构，它是一个基于Transformer的网络。
本质上，它是一个强化学习算法。
首先要输入当前的张量以及张量的历史，接着是躯干(Torso)，然后是嵌入(Embedding)，最后是Policy Head和Value Head。
在上图所指的位置，我们要选择三个向量u,v,w，进行相应计算。
一旦我们有三个向量的动作，我们就可以从原始张量中减去它。然后的目标是，找到从原始张量中减去的下一个动作。所有张量的Entry都是0的时候，游戏正好结束。
这显然是一个离散问题。如果张量的阶数高于2，就属于NP hard。
这个任务实际上很艰巨，我们使用的是3个向量，每个向量都有对应的Entry，因此这是一个巨大的动作空间，比国际象棋或围棋之类的空间都大得多，因此也困难得多。
这是一个更精细的架构图。他们把最后一个时间步中出现的张量的历史，用各种方式把投影到这个网格层上，然后线性层Grid 2将其转换为某种C维向量（这里时间维度就减少了）。
在这里，我们输出一个策略，这个策略是我们动作空间上的一个分布，还有一个输出到Value Head。
Value Head是从Policy Head中获取嵌入，然后通过一些神经网络推动。
要点就是，将网络与蒙特卡洛树搜索匹配。
总结一下：为了解决这些游戏，开始，我们的矩阵是满的，棋盘处于初始状态，然后就要考虑不同的动作，每一步动作都会包含更多的动作，包括你的对手可能考虑到的动作。
这其实就是一个树搜索算法。现在Alpha Zero style的蒙特卡洛树搜索，就是通过神经网络的策略和价值函数，引导我们完成这个树搜索。
它在用蓝线圈出的节点，就会向你提出建议，让你获得更成功的张量分解，也就是说，让你有更高的机率获胜。并且，它会直接排除掉你不该尝试的步骤，缩小你的考虑范围。
你只需要搜索，然后通过迭代训练，在某个节点，得到Zero Tensor，就意味着你胜利了。
没有完成游戏的话，奖励就非常低，反馈到训练神经网络之后，会做出更好的预测。
实际上，奖励不止是0或1， 为了鼓励模型发现最短路径， 作者还设定了一个-1的奖励。
这就比只给0或1的奖励好得多，因为它鼓励了低阶的分解，还提供了更密集的奖励信号。
因为问题很难，胜利具有很高的偶然性，奖励是稀少的。而如果走每一步都会得到奖励，也有可能是-1的奖励，就会敦促模型采取更少的步骤。
更重要的是，在这个合成演示中，他们会匹配一个监督奖励。
因为作者不仅可以生成数据，他们实际上是知道正确的步骤的，所以他们可以以监督的方式训练神经网络——因为是我们提出的问题，所以我们已经知道你该采取哪些步骤了。
再回顾一下整个算法。
针对原始游戏，作者改变了basis，将数据增强，然后进行蒙特卡洛树搜索。几个树搜索之后，游戏结束，根据结果的输赢，会得到相应的奖励，然后来训练。
把它放在游戏缓冲区，就可以更好地预测要执行的操作。
Policy Head会指导你走哪条路，在某个节点，你可以问Value Head：现在的状态值是多少？把所有内容汇总到顶部，选择最有希望的步骤。这就是MCTS Alpha Zero style的简介。
作者的另一个巧思是：除了-1的奖励，还在终端提供额外的奖励。如果算法在英伟达V100或TPUv2上运行得很快，还会得到额外的奖励。
AlphaTensor当然不知道V100是什么，但通过强化学习的力量，我们就可以找到在特定硬件上速度非常快的算法。
这样，我们就可以让算法提出定制的解决方案。
不仅是矩阵乘法，编译器也是这种原理。我们可以用这种方法，为特定的硬件优化速度、内存等。显然，它的应用领域已经远远超出了矩阵乘法。
对于数学的变革
作者还发现，对于两个四乘四矩阵相乘的得到的T4，AlphaTensor发现了超过14,000个非等价分解。
每种大小的矩阵乘法算法多达数千种，表明矩阵乘法算法的空间比以前想象的要丰富。
对于关心复杂性理论的数学家来说，这是一个巨大的发现。
参考资料：
https://www.reddit.com/r/MachineLearning/comments/xycz6y/d_alphatensor_explained_video_walkthrough/
https://youtu.be/3N3Bl5AA5QU
