Question

1. 如下图所示，大多数现有的深度 CTR 模型遵循 Embedding & Feature Interaction (FI) 的范式。由于特征交互在 CTR 预测中的重要性，大多数工作集中在设计 FI 模块的网络架构从而更好地捕获显式特征交互或隐式特征交互。虽然在文献中没有很好的研究，但 embedding 模块也是深度 CTR 模型的一个关键因素，原因有二：

   • embedding 模块是后续 FI 模块的基石，直接影响 FI 模块的效果。
   • 深度 CTR 模型中的参数数量大量集中在 embedding 模块，自然地对预测性能有很高的影响。

   然而，embedding 模块被研究界所忽视，这促使 《An Embedding Learning Framework for Numerical Features in CTR Prediction》 进行深入研究。

   embedding 模块通常以 look-up table 的方式工作，将输入数据的每个 categorical field 特征映射到具有可学习参数的潜在 embedding 空间。不幸的是，这种 categorization 策略不能用于处理数值特征，因为在一个 numerical field （如身高）可能有无限多的特征取值。

   在实践中，现有的数值特征的 representation 方法可以归纳为三类（如下图的红色虚线框）：

   • No Embedding：直接使用原始特征取值或转换，而不学习 embedding 。
   • Field Embedding：为每个 numerical field 学习单个 field embedding 。
   • Discretization：通过各种启发式离散化策略将数值特征转换为 categorical feature ，并分配 embedding 。

   然而，前两类可能会由于 representation 的低容量而导致性能不佳。最后一类也是次优的，因为这种基于启发式的离散化规则不是以 CTR 模型的最终目标进行优化的。此外， hard discretization-based 的方法受到 Similar value But Dis-similar embedding: SBD 和 Dis-similar value But Same embedding: DBS 问题的影响，其细节将在后面讨论。

   

   为了解决现有方法的局限性，论文 《An Embedding Learning Framework for Numerical Features in CTR Prediction》 提出了一个基于 soft discretization 的数值特征的 automatic end-to-end embedding learning framework ，即 AutoDis 。AutoDis 由三个核心模块组成：meta-embedding 、automatic discretization 和aggregation ，从而实现高的模型容量、端到端的训练、以及 unique representation 等特性。具体而言：

   • 首先，论文为每个 numerical field 精心设计了一组 meta-embedding ，这些 meta-embedding 在该field 内的所有特征取值之间是共享的，并从 field 的角度学习全局知识，其中 embedding 参数的数量是可控的。
   • 然后，利用可微的 automatic discretization 模块进行 soft discretization ，并且捕获每个数值特征和 field-specific meta-embedding 之间的相关性。
   • 最后，利用一个 aggregation 函数从而学习 unique Continuous-But-Different representation 。

   据作者所知，AutoDis 是第一个用于 numerical feature embedding 的端到端 soft discretization 框架，可以与深度 CTR 模型的最终目标共同优化。

   论文主要贡献：

   • 论文提出了AutoDis ，一个可插拔的用于 numerical feature 的 embedding learning 框架，它具有很高的模型容量，能够以端到端的方式生成 unique representation 并且具有可管理的参数数量。
   • 在 AutoDis 中，论文为每个 numerical field 设计了 meta-embedding 从而学习全局的共享知识。此外，一个可微的 automatic discretization 被用来捕获数值特征和 meta-embedding 之间的相关性，而一个 aggregation 过程被用来为每个特征学习一个 unique Continuous-But-Different representation 。
   • 在两个公共数据集和一个工业数据集上进行了综合实验，证明了 AutoDis 比现有的数值特征的 representation 方法更有优势。此外，AutoDis 与各种流行的深度 CTR 模型兼容，大大改善了它们的推荐性能。在一个主流广告平台的 online A/B test 表明，AutoDis 在 CTR 和 eCPM 方面比商业 baseline 提高了 2.1% 和 2.7% 。

2. 相关工作：

   • Embedding：作为深度 CTR 模型的基石， embedding 模块对模型的性能有重大影响，因为它占用了大部分的模型参数。我们在此简单介绍推荐领域中基于 embedding look-up 的研究。

     现有的研究主要集中在设计 adaptable 的 embedding 算法，通过为不同的特征分配可变长度的 embedding 或 multi-embeddings ，如Mixed-dimension （《Mixed dimension embeddings with application to memory-efficient recommendation systems》），NIS （《Neural Input Search for Large Scale Recommendation Models》）和AutoEmb（《AutoEmb: Automated Embedding Dimensionality Search in Streaming Recommendations》）。

     另一条研究方向深入研究了 embedding compression ，从而减少 web-scale 数据集的内存占用。

     然而，这些方法只能以 look-up table 的方式应用于 categorical feature 、或离散化后的数值特征。很少有研究关注数值特征的 embedding learning ，这在工业的深度 CTR 模型中是至关重要的。

   • Feature Interaction：根据显式特征交互和隐式特征交互的不同组合，现有的 CTR 模型可以分为两类：堆叠结构、并行结构。

     • 堆叠结构：首先对 embeddings 进行建模显示特征交互，然后堆叠 DNN 来抽取 high-level 的隐式特征交互。代表性的模型包括 FNN、IPNN、PIN、FiBiNET、FGCNN、AutoGroup、DIN 和 DIEN 。

     • 并行结构：利用两个并行网络分别捕捉显式特征交互信号和隐式特征交互信号，并在输出层融合信息。代表性的模型包括 Wide & Deep、DeepFM、AutoFIS、DCN、xDeepFM 和 AutoInt 。

       在这些模型中，隐式特征交互是通过 DNN 模型提取的。而对于显式特征交互，Wide & Deep 采用手工制作的交叉特征，DeepFM 和 AutoFIS 采用 FM 结构，DCN 采用 cross network ，xDeepFM 采用 Compressed Interaction Network: CIN ，AutoInt 利用多头自注意力网络。

39.1 模型

39.1.1 基础概念

1. 假设用于训练 CTR 模型的数据集由$Q$$ Q $ 个实例$(\overrightarrow{\mathbf{x}},y)$$ (\mathbf{\vec x}, y) $ 组成，其中$y$$ y $ 是标签，$\overrightarrow{\mathbf{x}}$$ \mathbf{\vec x} $ 是包括$M$$ M $ 个 categorical fields 和$N$$ N $ 个 numerical fields 的 multi-field 数据记录：

   $$\begin{array}{}\text{(1)}& \overrightarrow{\mathbf{x}}=[\underset{\text{scalars}}{\underbrace{x_1,x_2,\cdots ,x_N}};\underset{\text{one-hot vectors}}{\underbrace{{\overrightarrow{\mathbf{x}}}_{N+1},{\overrightarrow{\mathbf{x}}}_{N+2},\cdots ,{\overrightarrow{\mathbf{x}}}_{N+M}}}]\end{array}$$

   其中：$x_j$$ x_{j} $ 是第$j$$ j $ 个 numerical field 的标量值；${\overrightarrow{\mathbf{x}}}_{N+i}$$ \mathbf{\vec x}_{N+i} $ 是第$i$$ i $ 个 categorical field 的特征取值的 one-hot vector 。

   对于第$i$$ i $ 个 categorical field ，可以通过 embedding look-up 操作获得 feature embedding ：

   $$\begin{array}{}\text{(2)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+i}={\mathbf{E}}_{N+i}{\overrightarrow{\mathbf{x}}}_{N+i}\end{array}$$

   其中：${\mathbf{E}}_{N+i}\in {\mathbb{R}}^{v_{N+i}\times d}$$ \mathbf E_{N+i}\in \mathbb R^{v_{N+i}\times d} $ 为第$i$$ i $ 个 categorical field 的 embedding matrix ，$d$$ d $ 为 embedding size，$v_{N+i}$$ v_{N+i} $ 为第$i$$ i $ 个 categorical field 的词表规模。

   因此， categorical field 的 representation 为：$[{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+1},{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+2},\cdots ,{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+M}]\in {\mathbb{R}}^{M\times d}$$ \left[\mathbf{\vec e}_{N+1},\mathbf{\vec e}_{N+2},\cdots,\mathbf{\vec e}_{N+M} \right]\in \mathbb R^{M\times d} $ 。

2. 对于 numerical field ，现有的 representation 方法可以总结为三类：No Embedding、Field Embedding、Discretization 。

   • No Embedding：这种方式直接使用原始值或原始值的变换，而不学习 embedding 。例如，Google Play 的 Wide & Deep 和JD.com 的 DMT 分别使用原始数值特征和归一化的数值特征。此外，YouTube DNN 利用了归一化特征取值${\tilde{x}}_j$$ \tilde x_{j} $ 的几种变换（即平方、平方根）：

     $$\begin{array}{}\text{(3)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{\text{YouTube}}=[{\tilde{x}}_1^2,{\tilde{x}}_1,\sqrt{{\tilde{x}}_1},{\tilde{x}}_2^2,{\tilde{x}}_2,\sqrt{{\tilde{x}}_2},\cdots ,{\tilde{x}}_N^2,{\tilde{x}}_N,\sqrt{{\tilde{x}}_N}]\in {\mathbb{R}}^{3N}\end{array}$$

     在 Facebook 的 DLRM 中，他们使用了一个多层感知机来建模所有的数值特征：

     $$\begin{array}{}\text{(4)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{\text{DLRM}}=\text{DNN}([x_1,x_2,\cdots ,x_N])\end{array}$$

     其中 DNN 的结构为 512-256-d ，${\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{\text{DLRM}}\in {\mathbb{R}}^d$$ \mathbf{\vec e}_\text{DLRM}\in \mathbb R^d $ 。

     直观而言，这些 No Embedding 方法由于容量太小，很难捕获到 numerical field 的 informative 知识。

   • Field Embedding：学术界常用的方法是 Field Embedding，即同一个 field 内的的所有数值特征共享一个 uniform field embedding ，然后将这个 field embedding 与它们的特征取值相乘：

     $$\begin{array}{}\text{(5)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{\text{FE}}=[x_1{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_1,x_2{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_2,\cdots ,x_N{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_N]\in {\mathbb{R}}^{N\times d}\end{array}$$

     其中：${\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j\in {\mathbb{R}}^d$$ \mathbf{\vec e}_{j} \in \mathbb R^d $ 为第$j$$ j $ 个numerical field 的 uniform embedding vector 。

     然而，由于单个共享的 field-specific embedding 、以及field 内不同特征之间的线性缩放关系，Field Embedding 的 representation 容量是有限的。

     例如，收入$x=1$$ x=1 $ 和收入$x=10000$$ x=10000 $ ，根据 Field Embedding 的做法：

     $$\begin{array}{}\text{(6)}& (1\times \overrightarrow{\mathbf{e}})\cdot (1\times \overrightarrow{\mathbf{e}})<(1\times \overrightarrow{\mathbf{e}})\cdot (10000\times \overrightarrow{\mathbf{e}})\end{array}$$

     即，收入分别为1 和 10000 的两个用户，其相似度大于收入分别为 1 和 1 的两个用户。这在实际场景中是不恰当的。

   • Discretization：在工业推荐系统中，处理数值特征的一个流行方法是 Discretization ，即把数值特征转化为 categorical feature 。对于第$j$$ j $ 个 numerical field 的特征$x_j$$ x_{j} $ ，可以通过两阶段操作得到 feature embedding${\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j$$ \mathbf{\vec e}_{j} $ ：离散化 discretization 和 embedding look-up：

     $$\begin{array}{}\text{(7)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j={\mathbf{E}}_j{d}_j(x_j)\end{array}$$

     其中：${\mathbf{E}}_j\in {\mathbb{R}}^{H_j\times d}$$ \mathbf E_{j}\in \mathbb R^{H_{j}\times d} $ 为第$j$$ j $ 个 numerical field 的 embedding matrix ；$H_j$$ H_{j} $ 为离散化之后的桶数量；$d_j(\cdot )$$ d_{j}(\cdot) $ 为针对第$j$$ j $ 个 numerical field 人工设计的离散化函数，它将该特征内的每个特征取值映射到$H_j$$ H_{j} $ 个桶中。

     具体来说，有三种广泛使用的离散化函数：

     • Equal Distance/Frequency Discretization: EDD/EFD：EDD 将特征取值划分到$H_j$$ H_{j} $ 个等宽的桶中。假设第$j$$ j $ 个 numerical field 的特征取值范围为$[x_j^{min},x_j^{max}]$$ \left[x^\min_{j}, x_{j}^\max\right] $ ，区间宽度 interval width 定义为$w_j=(x_j^{max}-x_j^{min})/H_j$$ w_{j} = \left(x_{j}^\max - x_{j}^\min\right)/H_{j} $ 。因此，通过 EDD 离散化函数$d_j^{\text{EDD}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{EDD}(\cdot) $ 得到离散化结果${\hat{x}}_j$$ \hat x_{j} $ ：

       $$\begin{array}{}\text{(8)}& {\hat{x}}_j=d_j^{\text{EDD}}(x_j)=\text{floor}\left(\frac{x_j-x_j^{min}}{w_j}\right)\end{array}$$

       类似地，EFD 将范围$[x_j^{min},x_j^{max}]$$ \left[x^\min_{j}, x_{j}^\max\right] $ 划分为若干个桶，使得每个桶包含相同数量的样本。

     • Logarithm Discretization: LD：Kaggle 比赛中 Criteo advertiser prediction 的冠军利用对数和 floor 操作将数值特征转化为 categorical 形式。离散化后的结果${\hat{x}}_j$$ \hat x_{j} $ 通过LD 离散化函数$d_j^{\text{LD}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{LD}(\cdot) $ 得到：

       $$\begin{array}{}\text{(9)}& {\hat{x}}_j=d_j^{\text{LD}}(x_j)=\text{floor}(\log (x_j{)}^2)\end{array}$$

     • Tree-based Discretization: TD：除了深度学习模型外，tree-based 模型（如 GBDT ）在推荐中被广泛使用，因为它们能够有效地处理数值特征。因此，许多 tree-based 方法被用来离散化数值特征。

     虽然 Discretization 在工业界被广泛使用，但它们仍然有三个限制（如下图所示）：

     • Two-Phase Problem: TPP：离散化过程是由启发式规则或其他模型决定的，因此它不能与 CTR 预测任务的最终目标一起优化，导致次优性能。

     • Similar value But Dis-similar embedding: SBD：这些离散化策略可能将类似的特征（边界值）分离到两个不同的桶中，因此它们之后的 embedding 明显不同。

       例如， Age field 常用的离散化是将 [18,40] 确定为青少年、[41,65] 确定为中年，这导致数值 40 和 41 的 embedding 明显不同。

     • Dis-similar value But Same embedding: DBS：现有的离散化策略可能将明显不同的元素分组同一个桶中，导致无法区分的 embedding。使用同一个例子（Age field ），18 和 40 之间的数值在同一个桶里，因此被分配了相同的 embedding 。然而，18 岁和 40 岁的人可能具有非常不同的特征。基于离散化的策略不能有效地描述数值特征变化的连续性。

     

3. 综上所述，下表中列出了 AutoDis 与现有 representation 方法的三方面比较。我们可以观察到，这些方法要么因为容量小而难以捕获 informative 知识、要么需要专业的特征工程，这些可能会降低整体性能。因此，我们提出了 AutoDis 框架。据我们所知，它是第一个具有高模型容量、端到端训练、以及保留 unique representation 特性的 numerical features embedding learning 框架。

   

39.1.2 AutoDis

1. AutoDis 框架如 Figure 3 所示，它可以作为针对数值特征的可插拔的 embedding framework ，与现有的深度 CTR 模型兼容。AutoDis 包含三个核心模块：meta-embedding、automatic discretization、aggregation 。

   代码实现比较简单直观： 数值特征$x$$ x $ （标量） -> 单层 DNN 网络（隐层维度为$H$$ H $ ，softmax 激活函数） -> 单层 DNN 网络（隐层维度为$d$$ d $ ，无激活函数）。

   

   对于第$j$$ j $ 个 numerical field，AutoDis 可以通过如下方式为每个数值特征$x_j$$ x_{j} $ 学习一个 unique representation （如 Figure 4 所示）：

   $$\begin{array}{}\text{(10)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j=f(d_j^{\text{Auto}}(x_j),{\mathbf{ME}}_j)\end{array}$$

   其中：

   • ${\mathbf{ME}}_j$$ \mathbf {ME}_{j} $ 是第$j$$ j $ 个 numerical field 的 meta-embedding matrix 。

   • $d_j^{\text{Auto}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{Auto}(\cdot) $ 是第$j$$ j $ 个 numerical field 的 automatic discretization 函数。

   • $f(\cdot )$$ f(\cdot) $ 为聚合函数。

     所有 numerical field 都使用相同的聚合函数。

   最后，categorical 特征和数值特征的 embedding 被拼接起来，并馈入一个深度 CTR 模型进行预测：

   $$\begin{array}{}\text{(11)}& \hat{y}=\text{CTR}(\underset{\text{numerical embeddings}}{\underbrace{{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_1,{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_2,\cdots ,{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_N}};\underset{\text{categorical embeddings}}{\underbrace{{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+1},{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+2},\cdots ,{\overrightarrow{\mathbf{e}}}_{N+M}}})\end{array}$$

   

2. Meta-Embeddings： 为了平衡模型的容量和复杂性，对于第$j$$ j $ 个 numerical field ，我们设计了一组 meta-embeddings${\mathbf{ME}}_j\in {\mathbb{R}}^{H_j\times d}$$ \mathbf {ME}_{j}\in \mathbb R^{H_{j}\times d} $ ，其中${\mathbf{ME}}_j$$ \mathbf {ME}_{j} $ 由该 field 内的特征所共享，$H_j$$ H_{j} $ 为 meta-embedding 的数量。 每个 meta-embedding 可以被看作是潜在空间中的一个子空间，用于提高表达能力和容量。通过结合这些 meta-embedding ，学习到的 embedding 比 Field Embedding 方法更 informative ，因此可以很好地保留高的模型容量。此外，所需参数的数量由$H_j$$ H_{j} $ 所决定，因此模型的复杂性是高度可控的，使我们的方法 scalable 。

   对于不同的 field$j$$ j $ ，$H_j$$ H_j $ 的数量可以不同。对于均匀分布的field ，$H_j$$ H_j $ 可以取较大的值；对于取值聚焦于几个点的 field，$H_j$$ H_j $ 可以取较小的值。

3. Automatic Discretization：为了捕获数值特征的值和所设计的 meta-embeddings 之间的复杂关联，我们提出了一个可微的 automatic discretization 模块$d_j^{\text{Auto}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{Auto}(\cdot) $ 。由于有$d_j^{\text{Auto}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{Auto}(\cdot) $ ，第$j$$ j $ 个 numerical field 的每个数值特征被离散化到$H_j$$ H_{j} $ 个桶，每个 bucket embedding 对应于上面提到的 meta-embedding 。

   具体而言，利用一个带有 skip-connection 的两层神经网络，将numerical field 特征取值$x_j$$ x_{j} $ 离散化到$H_j$$ H_{j} $ 个桶中：

   $$\begin{array}{}\text{(12)}& \begin{array}{c}{\overrightarrow{\mathbf{h}}}_j=\text{Leaky-ReLU}\left({\overrightarrow{\mathbf{w}}}_j{x}_j\right)\\ {\widetilde{\overrightarrow{\mathbf{x}}}}_j={\mathbf{W}}_j{\overrightarrow{\mathbf{h}}}_j+\alpha {\overrightarrow{\mathbf{h}}}_j\end{array}\end{array}$$

   其中：

   • ${\overrightarrow{\mathbf{w}}}_j\in {\mathbb{R}}^{H_j},{\mathbf{W}}_j\in {\mathbb{R}}^{H_j\times H_j}$$ \mathbf{\vec w}_j\in \mathbb R^{H_j}, \mathbf W_j\in \mathbb R^{H_j\times H_j} $ 为 automatic discretization network 在第$j$$ j $ 个 numerical feature field 上的可学习参数。
   • Leaky-ReLU 为激活函数，$\alpha$$ \alpha $ 为 skip-connection 的控制因子 control factor 。

   投影结果为：${\widetilde{\overrightarrow{\mathbf{x}}}}_j=[{\tilde{x}}_{j,1},{\tilde{x}}_{j,2},\cdots ,{\tilde{x}}_{j,H_j}]$$ \tilde{\mathbf{\vec x}}_j = \left[\tilde x_{j,1},\tilde x_{j,2},\cdots,\tilde x_{j,H_j}\right] $ ，其中${\tilde{x}}_{j,h}$$ \tilde x_{j,h} $ 为numerical field 特征取值$x_j$$ x_j $ 在第$h$$ h $ 个桶的投影输出。最后，通过 Softmax 函数将numerical field 特征取值$x_j$$ x_j $ 与每个 meta-embedding${\mathbf{ME}}_j$$ \mathbf {ME}_j $ 之间的相关性进行归一化：

   $$\begin{array}{}\text{(13)}& {\hat{x}}_{j,h}=\frac{\exp \left({\tilde{x}}_{j,h}/\tau \right)}{\sum _{k=1}^{H_j}{\tilde{x}}_{j,k}/\tau }\end{array}$$

   其中：$\tau$$ \tau $ 为温度系数，用于控制 discretization 分布。因此，通过 automatic discretization 函数$d_j^{\text{Auto}}(\cdot )$$ d_{j}^\text{Auto}(\cdot) $ ，得到离散化的结果${\widehat{\overrightarrow{\mathbf{x}}}}_j\in {\mathbb{R}}^{H_j}$$ \hat{\mathbf{\vec x}}_j\in \mathbb R^{H_j} $ ：

   $$\begin{array}{}\text{(14)}& {\widehat{\overrightarrow{\mathbf{x}}}}_j=d_j^{\text{Auto}}(x_j)=[{\hat{x}}_{j,1},{\hat{x}}_{j,2},\cdots ,{\hat{x}}_{j,H_j}]\end{array}$$

   ${\widehat{\overrightarrow{\mathbf{x}}}}_j$$ \hat{\mathbf{\vec x}}_j $ 是一个向量，其中每个元素${\hat{x}}_{j,h}$$ \hat x_{j,h} $ 表示 numerical field 特征取值$x_j$$ x_j $ 被离散化到第$h$$ h $ 个桶中的概率，它表示 numerical field 特征取值$x_j$$ x_j $ 与第$h$$ h $ 个 meta-embedding （即 bucket embedding ）之间的相关性。这种离散化方法可以理解为 soft discretization 。与前面提到的 hard discretization 相比， soft discretization 没有将特征取值离散化到一个确定的桶中，这样就可以很好地解决 SBD 和 DBS 问题。此外，可微的 soft discretization 使我们的 AutoDis 能够实现端到端的训练，并以最终目标进行优化。

   值得注意的是：当温度系数$\tau \to \mathrm{\infty }$$ \tau\rightarrow \infty $ 时，discretization 分布趋于均匀分布；当$\tau \to 0$$ \tau\rightarrow 0 $ 时，discretization 分布趋于 one-hot 分布。因此，温度系数$\tau$$ \tau $ 在 automatic discretization distribution 中起着重要作用。此外，不同 field 的特征分布是不同的，因此对不同的 features 学习不同的$\tau$$ \tau $ 具有很大的必要性。具体而言，我们提出了一个温度系数自适应网络 temperature coefficient adaptive network （双层网络），它同时考虑了 global field statistics feature 和 local input feature ，公式如下：

   $$\begin{array}{}\text{(15)}& {\tau }_{x_j}=\text{Sigmoid}\left({\mathbf{W}}_j^{(2)}\text{Leaky-ReLU}\left({\mathbf{W}}_j^{(1)}[{\overline{\overrightarrow{\mathbf{n}}}}_j||x_j]\right)\right)\end{array}$$

   其中：

   • ${\overline{\overrightarrow{\mathbf{n}}}}_j$$ \bar{\mathbf{\vec n}}_j $ 为第$j$$ j $ 个numerical field 特征的全局统计特征向量，包括：采样的累积分布函数 Cumulative Distribution Function: CDF 、均值。$x_j$$ x_j $ 为 local input feature 。$(\cdot ||\cdot )$$ (\cdot ||\cdot) $ 为拼接操作。
   • ${\mathbf{W}}_j^{(1)},{\mathbf{W}}_j^{(2)}$$ \mathbf W_j^{(1)}, \mathbf W^{(2)}_j $ 为待学习的权重参数。

   为了指导模型训练，${\tau }_{x_j}$$ \tau_{x_j} $ 的输出范围从$(0,1)$$ (0,1) $ rescale 为$(\tau -ϵ,\tau +ϵ)$$ (\tau-\epsilon, \tau+\epsilon) $ ，其中$\tau$$ \tau $ 是一个全局的超参数。

   $ϵ$$ \epsilon $ 是什么？作者没有说。读者认为这里是一个超参数。

   这个温度系数自适应网络的设计不太简洁，工程实现也更复杂。根据实验部分的结论，这里完全可以微调 global 温度来实现。

4. Aggregation Function：在得到 feature value 和 meta-embeddings 之间的相关性后，可以通过对 meta-embeddings 进行聚合操作$f(\cdot )$$ f(\cdot) $ ，将相关性作为选择概率来生成 embedding 。我们考虑了以下聚合函数$f(\cdot )$$ f(\cdot) $ ：

   • Max-Pooling：选择最相关的 meta-embedding （具有最高概率${\hat{x}}_{j,h}$$ \hat x_{j,h} $ ）：

     $$\begin{array}{}\text{(16)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j={\mathbf{ME}}_{j,k},k=\arg \underset{1\le h\le H_j}{max}{\hat{x}}_{j,h}\end{array}$$

     其中：$k$$ k $ 是具有最高概率${\hat{x}}_{j,h}$$ \hat x_{j,h} $ 的最相关 meta-embedding 的索引，${\mathbf{ME}}_{j,k}$$ \mathbf {ME}_{j,k} $ 是${\mathbf{ME}}_j$$ \mathbf {ME}_j $ 中的第$k$$ k $ 个 meta-embedding 。

     然而，这种 hard selection 策略使 AutoDis 退化为一种 hard discretization 方法，从而导致上述的 SBD 问题和 DBS 问题。

   • Top-K-Sum：将具有最高相关性${\hat{x}}_{j,h}$$ \hat x_{j,h} $ 的 top-K 个 meta-embedding 相加：

     $$\begin{array}{}\text{(17)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j=\sum _{l=1}^K{\mathbf{ME}}_{j,k_l},k_l=\arg \underset{1\le h\le H_j,l-th}{max}{\hat{x}}_{j,h}\end{array}$$

     其中$k_l$$ k_l $ 是第$l$$ l $ （$1\le l\le K$$ 1\le l\le K $ ）大的${\hat{x}}_{j,h}$$ \hat x_{j,h} $ 的 meta-embedding 的索引，${\mathbf{ME}}_{j,k}$$ \mathbf {ME}_{j,k} $ 是${\mathbf{ME}}_j$$ \mathbf {ME}_j $ 中的第$k$$ k $ 个 meta-embedding 。

     然而，Top-K-Sum方法 有两个局限性：

     • 尽管与 Max-Pooling 相比，可能生成的 embedding 数量从$H_j$$ H_j $ 增加到$C_{H_j}^K$$ C_{H_j}^K $ ，但它不能从根本上解决 DBS 问题。
     • 学习到的 embedding${\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j$$ \mathbf{\vec e}_j $ 未考虑相关性的取值。

   • Weighted- Average：充分地利用整个 meta-embeddings 集合、以及 meta-embedding 与特征取值的相关性：

     $$\begin{array}{}\text{(18)}& {\overrightarrow{\mathbf{e}}}_j=\sum _{h=1}^{H_j}{\hat{x}}_{j,h}{\mathbf{ME}}_{j,h}\end{array}$$

     通过这种加权聚合策略，相关的元嵌入对提供一个信息丰富的嵌入有更大的贡献，而不相关的元嵌入则在很大程度上被忽略了。此外，这种策略保证了每个特征都能学到 unique representation ，同时，学到的 embedding 是 Continuous-But-Different ，即，特征取值越接近则 embedding 就越相似。

5. 训练：AutoDis 是以端到端的方式与具体的深度 CTR 模型的最终目标共同训练的。损失函数是广泛使用的带有正则化项的LogLoss：

   $$\begin{array}{}\text{(19)}& \mathcal{L}=-[\frac{1}{Q}\sum _{i=1}^Q{y}_i\log {\hat{y}}_i+(1-y_i)\log (1-{\hat{y}}_i)+\lambda ||\mathrm{\Theta }|{|}_2]\end{array}$$

   其中：$y_i$$ y_i $ 和${\hat{y}}_i$$ \hat y_i $ 为第$i$$ i $ 个样本的 ground truth label 和预测结果；$Q$$ Q $ 为总的训练样本数；$\lambda$$ \lambda $ 为 L2 正则化系数；$\mathrm{\Theta }=\{{\mathrm{\Theta }}_{\text{Cat-Emb}},{\mathrm{\Theta }}_{\text{AutoDis}},{\mathrm{\Theta }}_{\text{CTR}}\}$$ \Theta=\{\Theta_\text{Cat-Emb},\Theta_\text{AutoDis},\Theta_\text{CTR}\} $ 为 categorical field 的 feature embedding 参数、meta-embedding 和 automatic discretization 参数、以及深度 CTR 模型的参数。

   为了稳定训练过程，我们在数据预处理阶段采用了特征归一化技术，将数值特征取值缩放到 [0, 1] 。第$j$$ j $ 个 numerical field 的取值$x_j$$ x_j $ 被归一化为：

   $$\begin{array}{}\text{(20)}& x_j\leftarrow \frac{x_j-x_j^{min}}{x_j^{max}-x_j^{min}}\end{array}$$

39.2 实验

1. 数据集：

   • Criteo：Criteo Display Advertising Challenge 2013 发布的，包含 13 个 numerical feature field 。
   • AutoML：AutoML for Lifelong Machine Learning Challenge in NeurIPS 2018 发布的，包含 23 个numerical feature field 。
   • 工业数据集：从一个主流的在线广告平台上采样收集的，有 41 个 numerical feature field 。

   数据集的统计数据如下表所示。

   

2. 评估指标：AUC, LogLoss。

   所有的实验都通过改变随机数种子重复 5 次。采用 two-tailed unpaired t-test 来检测 AutoDis 和最佳 baseline 之间的显著差异。

3. baseline 方法：为了证明所提出的 AutoDis 的有效性，我们将 AutoDis 与数值特征的三类 representation learning 方法进行了比较：No Embedding（YouTube, DLRM）、Field Embedding: FE（DeepFM ）、Discretization （EDD ，如 IPNN；LD 以及 TD，如 DeepGBM）。

   此外，为了验证 AutoDis 框架与 embedding-based 的深度 CTR 模型的兼容性，我们将 AutoDis 应用于六个代表性模型：FNN、Wide & Deep、DeepFM、DCN、IPNN、xDeepFM 。

4. 实现：

   • 我们用 mini-batch Adam 优化所有的模型，其中学习率的搜索空间为 {10e-6, 5e-5, ... , 10e-2} 。
   • 此外，在 Criteo 和 AutoML 数据集中， embedding size 分别被设置为 80 和 70 。
   • 深度 CTR 模型中的隐层默认固定为1024-512-256-128 ，DCN 和 xDeepFM 中的显式特征交互（即 CrossNet 和 CIN ）被设置为 3 层。
   • L2 正则化系数的搜索空间为 {10e-6, 5e-5, ... , 10e-3} 。
   • 对于 AutoDis ，每个 numerical field 的 meta-embedding 数量为：Criteo 数据集为 20 个，AutoML 数据集为 40 个。
   • skip-connection 控制因子的搜索空间为 {0, 0.1, ... , 1} ，temperature coefficient adaptive network 的神经元数量设置为 64

5. 和其它 Representation Learning 方法的比较：我们在三个数据集上执行不同的 numerical feature representation learning 方法，并选择 DeepFM 作为深度 CTR 模型。结果如下表所示。可以看到：

   • AutoDis 在所有数据集上的表现都远远超过了所有的 baseline ，显示了其对不同数值特征的优越性和鲁棒性。

   • No Embedding 和 Field Embedding 方法的表现比 Discretization 和 AutoDis 更差。No Embedding 和 Field Embedding 这两类方法存在容量低和表达能力有限的问题。

     No Embedding, Field Embedding 二者之间的差距不大，基本上在 0.1% 以内。

   • 与现有的三种将数值特征转化为 categorical 形式的 Discretization 方法相比，AutoDis 的 AUC 比最佳 baseline 分别提高了 0.17% 、0.23% 、以及 0.22% 。

   

6. 不用 CTR 模型的比较：AutoDis 是一个通用框架，可以被视为改善各种深度 CTR 模型性能的插件。为了证明其兼容性，这里我们通过在一系列流行的模型上应用 AutoDis 进行了广泛的实验，结果如下表所示。可以看到：与 Field Embedding representation 方法相比，AutoDis 框架显著提高了这些模型的预测性能。numerical feature discretization 和 embedding learning 过程的优化是以这些 CTR 模型为最终目标的，因此可以得到 informative representation ，性能也可以得到提高。

   

7. Online A/B Testing：我们在一个主流广告平台上进行在线实验从而验证 AutoDis 的优越性能，该平台每天有数百万活跃用户与广告互动，并产生数千万的用户日志事件。对于控制组，数值特征通过 hybrid manually-designed rules （如 EDD、TD 等）进行离散化。实验组则选择 AutoDis 对所有数值特征进行离散化和自动学习 embedding 。将 AutoDis 部署到现有的 CTR 模型中很方便，几乎不需要 online serving 系统的工程工作。

   AutoDis 实现了 0.2% 的离线 AUC 的提升。此外，相对于对照组，实验组在线 CTR 和 eCPM 分别提升了 2.1% 和 2.7% （统计学意义），这带来了巨大的商业利润。

   此外，随着 AutoDis 的融合，现有的数值特征不再需要任何离散化规则。此外，在未来引入更多的数值特征将更加有效，而不需要探索任何人工制作的规则。

8. Embedding Analysis：为了更深入地理解通过 AutoDis 学到的 Continuous-But-Different embedding ，我们分别在 embeddings 的宏观分析、以及 soft discretization 的微观分析中做了进一步的调研。

   • Embeddings 的宏观分析：下图提供了 DeepFM-AutoDis 和 DeepFM-EDD 在 Criteo 数据集的第 3 个 numerical field 中得出的 embedding 的可视化。我们随机选择 250 个 embedding ，并使用 t-SNE 将它们投影到一个二维空间。具有相似颜色的节点具有相似的值。可以看到：

     • AutoDis 为每个特征学习了一个 unique embedding 。此外，相似的数值特征（具有相似的颜色）由密切相关的 embeddings （在二维空间中具有相似的位置）来表示，这阐述了 embedding 的 Continuous-But-Different 的特性。
     • 然而，EDD 为一个桶中的所有特征学习相同的 embedding 、而在不同的桶中学习完全不同的 embedding ，这导致了 to step-wise "unsmooth" embedding ，从而导致了较差的任务表现。

     

   • Soft Discretization 的微观分析：我们通过调查 DeepFM-AutoDis 的 soft discretization 过程中的 Softmax 分布进行一些微观分析。我们从 Criteo 数据集的第 8 个 numerical field 中选择一个相邻的 feature-pair （特征取值为 1 和 2 ）、以及一个相距较远的feature-pair （特征取值为 1 和 10 ），然后在下图中可视化它们的 discretization distribution 。可以看到：相邻的feature-pair 具有相似的 Softmax 分布，而相距较远的feature-pair 具有不同的分布。

     这一特点有利于保证相似的特征取值能够通过 AutoDis 学习相似的 embedding ，从而保持 embedding 的连续性。

     

9. Numerical Fields Analysis：为了评估 DeepFM-AutoDis 对每个 numerical field 的影响，在 Criteo 数据集中，我们选择了所有26 个 categorical fields 作为基础特征，并每次累积添加 13 个 numerical fields 中的一个。下图展示了根据数据集的原始顺序和随机顺序添加 numerical fields 的预测性能。可以看到：

   • 即使只有一个 numerical field ，AutoDis 也能提高性能。
   • AutoDis 对多个 numerical fields 具有 cumulative improvement 。
   • 与现有方法相比，AutoDis 取得的性能改善更加显著和稳定。

   

10. Model Complexity：为了定量分析我们提出的 AutoDis 的空间复杂度和时间复杂度，我们比较了 DeepFM 上的 EDD 离散化方法的模型参数、以及 batch inference time ，结果如下表所示。可以看到：

    • 与 EDD 相比，AutoDis增加的模型参数量可以忽略不计。
    • 此外，AutoDis 的计算效率也是可比的。

    

11. 消融研究和超参数敏感性：

    • 聚合策略：下图总结了 DeepFM-AutoDis 采用 Max-Pooling 、Top-K-Sum 、Weighted-Average 等聚合策略的预测性能。可以看到：Weighted-Average 策略实现了最好的性能。原因是：与其他策略相比，Weighted-Average 策略充分利用了 meta-embeddings 及其相应的关联性，完全克服了 DBS 和 SBD 问题。

      

    • 温度系数：为了证明 temperature coefficient adaptive network 在生成 feature-specific${\tau }_{x_j}$$ \tau_{x_j} $ 的有效性，我们将${\tau }_{x_j}$$ \tau_{x_j} $ 与不同全局温度$\tau$$ \tau $ 进行比较。如下图所示：

      • 在 Criteo 和AutoML 数据集上，最佳全局温度分别为 1e-5 和 4e-3 左右。
      • 然而，我们的 temperature coefficient adaptive network 取得了最好的结果（红色虚线），因为它可以根据 global field statistics feature 和 local input feature ，针对不同的特征自适应地调整温度系数，获得更合适的 discretization distribution 。

      

    • Meta-Embeddings 的数量：实验结果如下图所示。可以看到：

      • Meta-Embeddings 数量的增加有助于在开始时大幅提高性能，因为 meta-embeddings 中涉及更丰富的信息。
      • 然而，使用过多的 meta-embeddings 不仅会增加计算负担，而且会使性能受挫。

      考虑到预测效果和训练效率，我们将 Criteo和 AutoML 数据集的数量分别设定为 20 和 40 。