[[413545]]

本文經(jīng)AI新媒體量子位（公眾號ID:QbitAI）授權(quán)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系出處。

機器人要如何完成這樣一個動作？

我們一般會基于強化學(xué)習(xí)，在仿真環(huán)境中進行模擬訓(xùn)練。

這時，如果在一臺機器的CPU環(huán)境下進行模擬訓(xùn)練，那么需要幾個小時到幾天。

但現(xiàn)在，只需一個TPU/GPU，就能和數(shù)千個CPU或GPU的計算集群的速度一樣快，直接將所需時間縮短到幾分鐘！

相當(dāng)于將強化學(xué)習(xí)的速度提升了1000倍！

這就是來自谷歌的科學(xué)家們開發(fā)的物理模擬引擎Brax。

三種策略避免邏輯分支

現(xiàn)在大多數(shù)的物理模擬引擎都是怎么設(shè)計的呢？

將重力、電機驅(qū)動、關(guān)節(jié)約束、物體碰撞等任務(wù)都整合在一個模擬器中，并行地進行多個模擬，以此來逼近現(xiàn)實中的運動系統(tǒng)。

這種情況下，每個模擬器中的計算都不相同，且數(shù)據(jù)必須在數(shù)據(jù)中心內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。

這種并行布局也就導(dǎo)致了較高的延遲時間——即學(xué)習(xí)者可能需要超過10000納秒的等待時間，才能從模擬器中獲得經(jīng)驗。

那么怎樣才能縮短這種延遲時間呢？

Brax選擇通過避免模擬中的分支來保證數(shù)千個并行環(huán)境中的計算完全統(tǒng)一，進而降低整個訓(xùn)練架構(gòu)的復(fù)雜度。

直到復(fù)雜度降低到可以在單一的TPU或GPU上執(zhí)行，跨機器通信的計算開銷就隨之降低，延遲也就能被有效消除。

主要分為以下三個方法：

• 連續(xù)函數(shù)替換離散分支邏輯

比如，在計算一個小球與墻壁之間的接觸力時，就產(chǎn)生了一個分支：

如果球接觸墻壁，就執(zhí)行模擬球從墻壁反彈的獨立代碼；

否則，就執(zhí)行其他代碼；

這里就可以通過符號距離函數(shù)來避免這種if/else的離散分支邏輯的產(chǎn)生。

• 使用JAX即時編譯中評估分支

在仿真時間之前評估基于環(huán)境靜態(tài)屬性的分支，例如兩個物體是否有可能發(fā)生碰撞。

• 在模擬中只選擇需要的分支結(jié)果

在使用了這三種策略之后，我們就得到了一個模擬由剛體、關(guān)節(jié)、執(zhí)行器組成環(huán)境的物理引擎。

同時也是一種實現(xiàn)在這種環(huán)境中各類操作（如進化策略，直接軌跡優(yōu)化等）的學(xué)習(xí)算法。

那么Brax的性能究竟如何呢？

速度最高提升1000倍

Brax測試所用的基準是OpenAI Gym中Ant、HalfCheetah、Humanoid、Reacher四種。

同時也增加了三個新環(huán)境：包括對物理的靈巧操作、通用運動（例如前往周圍任何一個放置了物體的地點）、以及工業(yè)機器人手臂的模擬：

研究人員首先測試了Brax在并行模擬越來越多的環(huán)境時，可以產(chǎn)生多少次物理步驟（也即對環(huán)境狀態(tài)的更新）。

測試結(jié)果中的TPUv3 8x8曲線顯示，Brax可以在多個設(shè)備之間進行無縫擴展，每秒可達到數(shù)億個物理步驟：

而不僅是在TPU上，從V100和P100曲線也能看出，Brax在高端GPU上同樣表現(xiàn)出色。

然后就是Brax在單個工作站（workstation）上運行一個強化學(xué)習(xí)實驗所需要的時間。

在這里，研究人員將基于Ant基準環(huán)境訓(xùn)練的Brax引擎與MuJoCo物理引擎做了對比：

可以看到，相對于MuJoCo（藍線）所需的將近3小時時間，使用了Brax的加速器硬件最快只需要10秒。

使用Brax，不僅能夠提高單核訓(xùn)練的效率，還可以擴展到大規(guī)模的并行模擬訓(xùn)練。

論文地址：
https://arxiv.org/abs/2106.13281

下載：
https://github.com/google/brax