Deep ensembles vs committees for uncertainty estimation in neural-network force fields: Comparison and application to active learning

计算机科学 人工神经网络 人工智能 机器学习 推论 深度学习 估计员 工作流程 力场(虚构) 一般化 主动学习(机器学习) 数学 数学分析 数据库 统计
作者
Jesús Carrete,Hadrián Montes‐Campos,Ralf Wanzenböck,Esther Heid,Georg K. H. Madsen
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:158 (20) 被引量:46
标识
DOI:10.1063/5.0146905
摘要

A reliable uncertainty estimator is a key ingredient in the successful use of machine-learning force fields for predictive calculations. Important considerations are correlation with error, overhead during training and inference, and efficient workflows to systematically improve the force field. However, in the case of neural-network force fields, simple committees are often the only option considered due to their easy implementation. Here, we present a generalization of the deep-ensemble design based on multiheaded neural networks and a heteroscedastic loss. It can efficiently deal with uncertainties in both energy and forces and take sources of aleatoric uncertainty affecting the training data into account. We compare uncertainty metrics based on deep ensembles, committees, and bootstrap-aggregation ensembles using data for an ionic liquid and a perovskite surface. We demonstrate an adversarial approach to active learning to efficiently and progressively refine the force fields. That active learning workflow is realistically possible thanks to exceptionally fast training enabled by residual learning and a nonlinear learned optimizer.
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