DCN-M：Google大规模排序系统的特征交叉学习

文章作者：深度树匹配

内容来源：浅梦的学习笔记

导读：本文结合DeepCTR-Torch中的代码实现，介绍了DCN的改进版——DCN-M。该模型能更有效地学习特征交叉，并通过低秩矩阵分解对参数矩阵进行降维，降低计算成本。受MOE结构启发，作者还在多个子空间中建模特征交叉。实验表明，传统的基于ReLU的神经网络在学习高阶特征交叉时效率较低；DCN-M能够在保证效率较高的同时，取得优于SOTA方法的效果。

本文是对论文《DCN-M: Improved Deep & Cross Network for Feature Cross Learning in Web-scale Learning to Rank Systems》 的解读，论文地址：https://arxiv.org/abs/2008.13535

代码实现：DeepCTR-Torch(https://github.com/shenweichen/DeepCTR-Torch)中DCN-M和DCN-Mix(点击文末阅读原文可访问)

摘要

在大规模（几十亿样本）场景下，DCN[1]中cross网络的表达能力有限，无法学到更加有用的特征交叉。尽管学术界做出了大量进展，但工业界很多深度模型还是依赖于传统的DNN来低效地学习特征交叉。

基于DCN的优缺点以及现有的特征交叉方法，作者提出了改进版的DCN-M[2]来使模型更容易在大规模工业场景下落地。大量实验结果表明，DCN-M在学习特征交叉时的表达能力更强且效率较高，在主流数据集上能够超过SOTA方法。在引入混合低秩矩阵后效果更好。DCN-M结构简单，容易作为building blocks，且在许多大规模L2R系统中取得了显著的线下和线上指标提升。

贡献

  • 提出了一种新的DCN-M模型来有效地学习显式和隐式特征交叉，模型高效、简单的同时，表达能力更强。
  • 基于DCN-M中学习出的低秩矩阵，利用低秩方法来在子空间中进行近似特征交叉，在模型效果和时延上达到了更好的权衡。受MOE结构启发，将矩阵分解至多个子空间，随后通过门控机制来对这些子空间进行融合。
  • 使用人造数据集进行了研究，结果表明传统的基于ReLU的神经网络在学习高阶特征交叉时效率较低。
  • 在Criteo和ml-1m数据上的大量实验表明，DCN-M模型能够显著胜过SOTA方法。

模型

DCN回顾

首先回顾一下DCN的模型结构：

特征经过embedding、stack后，分别输入cross network和DNN，两路的输出stack后经过单层nn映射为一维的预测分数。

embedding/stack/DNN不必赘述，主要看cross network。cross network的核心思想是更高效地实现显式特征交叉，每一层的计算如下：

其中

图示：

, , , 都是d维的列向量，形状是(d,1)。的形状是(d,1) * (1,d) * (d,1)=(d,1)，与, 一致。cross网络每一层仅增加2d个参数（和），整体参数量为（为网络层数），参数量相比DNN是少得多的。

cross网络的改进

DCN中cross网络的参数是向量，DCN-M中换成了矩阵来提高表达能力、方便落地。DCN-M是指“DCN-matrix” ，原来的DCN在这里称为DCN-V（“DCN-vector”）。

其中，

图示：

目前最新版的DeepCTR-Torch[3]中已实现了DCN和DCN-M，只需调整parameterization参数即可切换模型。其中CrossNet的核心代码如下：

if self.parameterization == 'vector':
    xl_w = torch.tensordot(x_l, self.kernels[i], dims=([1], [0]))
    dot_ = torch.matmul(x_0, xl_w)
    x_l = dot_ + self.bias[i]
elif self.parameterization == 'matrix':
    dot_ = torch.matmul(self.kernels[i], x_l)  # W * xi  (bs, in_features, 1)
    dot_ = dot_ + self.bias[i]  # W * xi + b
    dot_ = x_0 * dot_  # x0 · (W * xi + b)  Hadamard-product
x_l = dot_ + x_l

完整代码地址：https://github.com/shenweichen/DeepCTR-Torch/blob/bc881dcd417fec64f840b0cacce124bc86b3687c/deepctr_torch/layers/interaction.py#L406-L461

Deep和cross的结合方式

结合方式分为堆叠（串行）和并行两种：

这两种结合方式下的DCN-M效果都优于基准算法。但这两种结构之间的优劣不能一概而论，与数据集有关。串行结构在criteo数据集上更好，而并行结构在Movielen-1M上效果更好。

损失函数

损失函数为带L2正则化的log loss：

混合低秩矩阵

工业界模型往往受计算资源和响应时间限制，需要在保证效果的同时降低计算成本。低秩方法被广泛用于降低计算成本——将一个稠密矩阵近似分解为两个”高瘦“的低秩矩阵。而且，当原矩阵的奇异值差异较大或快速衰减时，低秩分解的方法会更加有效。作者发现，DCN-M中学到的参数矩阵是低秩的（所以比较适合做矩阵分解）。下图展示了DCN-M中学到的参数矩阵的奇异值衰减趋势，比初始化的矩阵衰减更快：

因此，作者将参数矩阵分解为了两个低秩矩阵：

这个公式有两种解释：

（1）在子空间中学习特征交叉

（2）将输入特征x映射到低维空间中，然后再映射回到

这两种解释分别激发了作者随后的两处改进：

（1）激发了作者使用Mixture-of-Experts (MoE)的思想，在多个子空间中学习，然后再进行融合。MOE方法包含两部分：专家网络（即上个公式中使用低秩矩阵分解的cross网络）和门控单元（一个关于输入的函数），通过门控单元来聚合个专家网络的输出结果：

图示：

（2）激发了作者利用映射空间的低秩性。在映射回原有空间之前，施加了非线性变换来提炼特征：

此公式的代码实现：（低秩空间中的非线性函数目前采用tanh)

  # E(x_l)  # project the input x_l to $\mathbb{R}^{r}$  v_x = torch.matmul(self.V_list[i][expert_id].T, x_l)  # (bs, low_rank, 1)

  # nonlinear activation in low rank space  v_x = torch.tanh(v_x)  v_x = torch.matmul(self.C_list[i][expert_id], v_x)  v_x = torch.tanh(v_x)

  # project back to $\mathbb{R}^{d}$  uv_x = torch.matmul(self.U_list[i][expert_id], v_x)  # (bs, in_features, 1)

  dot_ = uv_x + self.bias[i]  dot_ = x_0 * dot_  # Hadamard-product

完整代码：https://github.com/shenweichen/DeepCTR-Torch/blob/bc881dcd417fec64f840b0cacce124bc86b3687c/deepctr_torch/layers/interaction.py#L464-L537

复杂度

DCN-M中的cross网络的时空复杂度是，采用混合低秩矩阵后（称作DCN-Mix）的时空复杂度是，当rK<<d时会更加高效。

实验

「RQ1：在什么情况下，显式学习特征交叉的模型能比基于ReLU的DNN更有效？」

很多CTR的工作都在针对显式特征交叉进行建模（传统神经网络无法高效地学习到），但很多工作都只在公开数据集上进行研究，这些公开数据集上特征交叉的模式是未知的，且包含许多噪声数据。因此，作者通过特定的特征交叉模式来生成数据集，验证各模型的效果。

首先考虑「2阶特征交叉」。按照难度由易到难的顺序指定特征交叉的模式：

中的集合和权重是随机指定的。下面我们看看各模型能否有效的学习到这些特征交叉（CN是指单独的Cross Network）：

从RMSE上来看模型拟合的效果：CN-V和CN-M效果较好。当交叉的模式变得复杂时（），所有方法的效果都有所下降，但CN-M仍然是很准确的。DNN的效果较差，即使是使用更宽、更深的DNN（DNN-large），效果仍然较差。

「1-4阶特征交叉」（与实际情况较为接近）：

CN-M和DNN的效果如下表所示：

当增大层数时，CN-M能够捕捉数据中更高阶的特征交叉、达到更好的效果。由于CN-M中的残差项和偏置项，即使模型超过3层（引入了多余的特征交叉），效果也没有变差。

「RQ2：去掉DNN后，baselines中的特征交叉部分表现如何？」

数据集：Criteo

  1. 更高阶的模型会比2阶的模型效果更好，说明在Criteo数据集上更高阶的交叉也是有意义的。
  2. 在高阶模型中，Cross Network取得了最好的效果

「RQ3 DCN-M的效果与baselines相比如何？能否在准确性和计算成本上取得更好的权衡？」

数据集：Criteo、ml-1m

FLOPS是模型运行时间的近似估计。大部分模型的运行时间大约是参数量#Params的2倍，但xDeepFM却高出了一个数量级，难以落地。DCN-M效果最好，而且相对来说效率比较高；DCN-Mix进一步降低了计算成本，在准确性和计算成本上实现了更好的权衡。

「RQ4 cross网络能否替代ReLU层？」

作者进一步对比了DNN和CrossNet的效果。由于实际生产环境中资源有效，往往需要限制模型大小。因此作者限制了模型的内存占用（即参数量）。结果显示，在相同的参数量限制下，CrossNet的效果更好。那是不是说CrossNet就能替代ReLU层？作者表示：还需要更多实验和分析...

「RQ5 DCN-M中的各项参数是如何影响模型效果的？」

1.网络层数：

当cross网络层数增加时，效果会稳定提升，说明能够捕捉更有用的交叉。但提升的速度越来越慢，说明高阶特征交叉的作用是低于低阶交叉的。作者也对比了一个相同规模的DNN，层数<=2时DNN效果比cross网络更好，但层数更多时，差距会减小甚至出现反超。

2.矩阵的秩：

当秩小于64时，logloss几乎是呈线性下降；大于64时下降速度放缓。这说明最重要的特征能够被最大的64个奇异值所捕捉。

3.专家网络的数量：

当其他参数设置为最优时，使用更多的专家网络并没有明显的提升，这可能是由于门控机制和优化方法比较朴素。作者认为，如果采用更精细化的门控机制和优化方法，会从MOE结构中取得更大收益。

「RQ6 DCN-M能否捕捉重要的特征交叉？」

DCN-M中的权重矩阵能够反映不同交叉特征的重要程度：

根据绘制出不同交叉特征的权重图谱：

可以看到，模型能够学到一些强特征，例如gender × userid，movieId × userid。

总结

DCN-M模型能够简单且有效地建模显式特征交叉，并通过混合低秩矩阵在模型效果和时延上实现了更好的权衡。DCN-M已成功应用于多个大型L2R系统，取得了显著的线下及线上收益。实验结果表明DCN-M的效果超过了现有SOTA方法。

参考资料

[1] Wang R, Fu B, Fu G, et al. Deep & cross network for ad click predictions[M]//Proceedings of the ADKDD'17. 2017: 1-7.

[2] Wang R, Shivanna R, Cheng D Z, et al. DCN-M: Improved Deep & Cross Network for Feature Cross Learning in Web-scale Learning to Rank Systems[J]. arXiv preprint arXiv:2008.13535, 2020.

[3] DeepCTR-Torch: https://github.com/shenweichen/DeepCTR-Torch

今天的分享就到这里，谢谢大家。

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