Representations learned by pre-training a neural network on a large dataset are increasingly used successfully to perform a variety of downstream tasks. In this work, we take a closer look at how features are encoded in such pre-trained representations. We find that learned representations in a given layer exhibit a degree of diffuse redundancy, ie, any randomly chosen subset of neurons in the layer that is larger than a threshold size shares a large degree of similarity with the full layer and is able to perform similarly as the whole layer on a variety of downstream tasks. For example, a linear probe trained on $20\%$ of randomly picked neurons from the penultimate layer of a ResNet50 pre-trained on ImageNet1k achieves an accuracy within $5\%$ of a linear probe trained on the full layer of neurons for downstream CIFAR10 classification. We conduct experiments on different neural architectures (including CNNs and Transformers) pre-trained on both ImageNet1k and ImageNet21k and evaluate a variety of downstream tasks taken from the VTAB benchmark. We find that the loss and dataset used during pre-training largely govern the degree of diffuse redundancy and the "critical mass" of neurons needed often depends on the downstream task, suggesting that there is a task-inherent redundancy-performance Pareto frontier. Our findings shed light on the nature of representations learned by pre-trained deep neural networks and suggest that entire layers might not be necessary to perform many downstream tasks. We investigate the potential for exploiting this redundancy to achieve efficient generalization for downstream tasks and also draw caution to certain possible unintended consequences. Our code is available at \url{https://github.com/nvedant07/diffused-redundancy}.


翻译:通过在大规模数据集上预训练神经网络所获得的表示,正日益被成功应用于多种下游任务。本研究深入探究了此类预训练表示中特征的编码方式。我们发现,在给定层中学到的表示呈现一定程度的扩散冗余性,即该层中任意随机选择的、超过一定阈值的神经元子集,都与完整层具有高度相似性,并能在多种下游任务中表现出与整个层相近的性能。例如,对于在ImageNet1k上预训练的ResNet50,从其中倒数第二层随机选取20%的神经元训练出的线性探测模型,在下游CIFAR10分类任务中,其准确率与使用全层神经元训练的线性探测模型相差不到5%。我们针对不同神经网络架构(包括CNN和Transformer)进行了实验,这些模型分别在ImageNet1k和ImageNet21k上预训练,并评估了来自VTAB基准的多种下游任务。结果表明,预训练过程中使用的损失函数和数据集在很大程度上决定了扩散冗余性的程度,而所需神经元的“临界数量”常依赖于具体下游任务,这意味着存在一个任务固有的冗余-性能帕累托前沿。我们的发现揭示了预训练深度神经网络所学表示的本质,并表明执行许多下游任务可能并不需要完整层。我们探究了利用这种冗余性来实现下游任务高效泛化的潜力,同时也就某些潜在的非预期后果提出了警示。我们的代码开源在\url{https://github.com/nvedant07/diffused-redundancy}。

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