530    Глава 14. Заключение

кто.захочет.заняться.фундаментальными.исследованиями..В.конце.главы.приводится.краткий.перечень.ресурсов.и.стратегий.для.дальнейшего.изучения.ИИ. и.получения.сведений.о.новейших.достижениях.

14.1. КРАТКИЙ ОБЗОР КЛЮЧЕВЫХ ПОНЯТИЙ

Данный.раздел.обобщает.ключевые.выводы.из.этой.книги..Если.вам.потребуется. быстро.освежить.в.памяти.все,.что.вы.изучили.здесь,.прочитайте.следующие. несколько.страниц.

14.1.1. Разные подходы к ИИ

Прежде.всего,.глубокое.обучение.не.является.синонимом.ИИ.или.даже.машинного.обучения.

.Искусственный интеллект.—.это.давно.существующая.широкая.область,. которую.можно.определить.как.«любые.попытки.автоматизировать.когнитивные .процессы», .иными .словами, .автоматизировать .мысль.. Сюда. можно .отнести .и .нечто .очень .простое, .такое .как .электронные .таблицы. Excel,.и.очень.сложное,.как.человекоподобные.роботы,.способные.ходить. и.разговаривать.

.Машинное обучение.—.это.конкретный.раздел.ИИ,.целью.которого.является. автоматическая.разработка.программ.(называемых.моделями).исключительно.на.основе.обучающих.данных..Этот.процесс.превращения.данных. в.программу.называется.обучением..Идея.машинного.обучения.зародилась. давно,.но.ее.развитие.началось.только.в.1990-х.годах,.а.доминирующей.она. стала.только.в.2000-х.

.Глубокое обучение.является.одной.из.многих.ветвей.машинного.обучения,. где.модели.представлены.длинными.цепочками.геометрических.функций,. применяемых.друг.за.другом..Эти.операции.организованы.в.модули,.которые. называются.слоями:.модели.глубокого.обучения.обычно.формируются.как. стек.слоев.или.в.более.общем.смысле.граф.слоев..Слои.параметризуются. весами,.которые.вычисляются.в.процессе.обучения..Знание.модели.хранится. в.ее.весах,.а.процесс.обучения.заключается.в.поиске.лучших.значений.для. этих.весов,.минимизирующих.функцию потерь..Поскольку.цепочка.геометрических.преобразований.является.дифференцируемой,.обновление.весов. с.целью.минимизации.функции.потерь.эффективно.выполняется.с.помощью.

градиентного спуска.

Несмотря.на.то.что.глубокое.обучение.—.лишь.один.из.множества.подходов. к.машинному.обучению,.оно.не.равноценно.другим.подходам..Глубокое.обуче- ние.—.это.успешный.прорыв..И.вот.почему.

14.1.Краткий обзор ключевых понятий    531

14.1.2.Что делает глубокое обучение особенным среди других подходов к машинному обучению

В.течение.всего.лишь.нескольких.лет.глубокое.обучение.добилось.огромного. успеха.в.решении.широкого.круга.задач,.которые.прежде.воспринимались.как. очень.сложные.для.компьютеров,.особенно.в.области.машинного.восприятия:. извлечения.полезной.информации.из.изображений,.видео,.звуков.и.многого. другого..При.наличии.достаточного.объема.обучающих.данных.(например,.обучающих.данных,.предварительно.классифицированных.людьми).из.сенсорной. информации.с.посощью.глубокого.обучения.можно.извлечь.почти.все.то.же,.что. может.извлечь.человек..Поэтому.иногда.говорят,.что.глубокое.обучение.решило проблему восприятия,.хотя.это.верно.только.для.очень.узкого.определения. термина.восприятие.

Благодаря.беспрецедентным.техническим.успехам.глубокое.обучение.единолично. принесло.третье.и,.безусловно,.самое.долгое.лето ИИ:.период.повышенного.интереса,.инвестиций.и.шумихи.в.области.ИИ..Эта.книга.как.раз.писалась.в.середине. «лета»..Завершится.ли.данный.период.в.ближайшем.будущем.и.что.случится. в.конце.—.тема.для.дискуссий..Одно.можно.сказать.наверняка:.в.отличие.от.дру- гих.летних.периодов.ИИ,.глубокое.обучение.принесло.огромные.выгоды.ряду. крупных.технологических.компаний,.позволив.распознавать.человеческую.речь,. оказывать.интеллектуальную.помощь,.классифицировать.изображения.на.уровне. человека,.значительно.улучшить.машинный.перевод.и.многое.другое..Шумиха. отступит,.однако.устойчивое.экономическое.и.технологическое.воздействие.глубокого.обучения.останется..В.этом.смысле.глубокое.обучение.подобно.интернету:. страсти.по.нему.могут.не.утихать.несколько.лет,.но.в.конечном.итоге.это.серьезная. революция,.которая.изменит.нашу.экономику.и.нашу.жизнь.

Я.с.особым.оптимизмом.отношусь.к.глубокому.обучению,.потому.что,.даже.если. мы.не.добьемся.дальнейшего.технического.прогресса.в.следующем.десятилетии,. развертывание.существующих.алгоритмов.для.каждой.прикладной.задачи.станет. поворотным.моментом.для.большинства.отраслей..Глубокое.обучение.—.это.на- стоящая.революция.и.в.настоящее.время.прогрессирует.невероятно.быстрыми. темпами.благодаря.все.возрастающим.инвестициям.в.ресурсы.и.людей..С.той. точки,.где.я.нахожусь,.будущее.представляется.ярким,.хотя.краткосрочные.ожидания.кажутся.чересчур.оптимистичными;.развертывание.глубокого.обучения. в.полную.меру.его.потенциала.займет.не.меньше.нескольких.десятилетий.

14.1.3. Как правильно воспринимать глубокое обучение

Самое.удивительное.в.глубоком.обучении.—.простота.реализации..Еще.десять. лет.назад.никто.не.предполагал,.что.мы.добьемся.таких.успехов.в.решении. задач .машинного .восприятия, .использовав .простые .параметрические .модели, .обучаемые .методом .градиентного .спуска..Теперь .мы .знаем: .все, .что.

532    Глава 14. Заключение

нам.нужно,.—.это.достаточно.большие.параметрические.модели,.обученные. методом.градиентного.спуска.на.достаточно.большом.количестве.примеров..

Как.однажды.сказал.Ричард.Фейнман.о.Вселенной,.«она.не.сложная,.просто. очень.большая»1.

В.глубоком.обучении.все.сущее.—.векторы:.всё.—.точки.в.геометрическом пространстве..Входные.данные.моделей.(текст,.изображения.и.т..д.).и.цели.сначала. векторизуются.—.превращаются.в.начальные.векторные.пространства.входных. данных.и.целей..Каждый.слой.в.модели.глубокого.обучения.реализует.одно. простое.геометрическое.преобразование.данных,.проходящих.через.него..А.вся. цепочка.слоев.в.модели.образует.одно.сложное.геометрическое.преобразование,. состоящее.из.последовательности.простых..Это.сложное.преобразование.пытается.поточечно.отобразить.входное.пространство.в.целевое..Оно.параметризуется. весами.слоев,.которые.итеративно.обновляются,.в.зависимости.от.качества.работы.модели..Ключевой.характеристикой.такого.геометрического.преобразования. является.дифференцируемость,.которая.совершенно.необходима.для.обучения. весов.посредством.градиентного.спуска..Это.означает,.что.геометрическое.преобразование.входных.данных.в.выходные.должно.быть.гладким.и.непрерывным,. что.является.существенным.ограничением.

Весь.процесс.применения.сложного.геометрического.преобразования.к.входным. данным.можно.представить.как.человека,.пытающегося.развернуть.смятый. комок.бумаги:.этот.комок.—.многообразие.входных.данных,.с.которых.начи- нается.модель..Каждое.движение.человека.сродни.простому.геометрическому. преобразованию,.выполняемому.одним.слоем..Полная.последовательность. движений.—.это.сложное.преобразование,.реализуемое.моделью..Модели.глу- бокого.обучения.—.это.математические.машины,.разворачивающие.сложное. многообразие.входных.данных.с.большим.количеством.измерений.

В.этом.заключено.волшебство.глубокого.обучения:.преобразование.смысла. в.векторы,.в.геометрические.пространства.и.постепенное.изучение.сложных.геометрических.преобразований,.отображающих.одно.пространство.в.другое..Все,. что.вам.нужно,.—.это.пространства.с.достаточно.большой.размерностью,.чтобы. полностью.охватить.отношения,.присутствующие.в.исходных.данных.

Все .основано .на .одной .главной .идее: .смысл .заключается в попарных отношениях .(между.словами.в.языке,.между.пикселями.в.изображении.и.т..д.). и.эти отношения можно оценить функцией расстояния..Но.имейте.в.виду,.что. вопрос,.реализует.ли.мозг.смысл.через.геометрические.пространства,.—.это. совершенно.другое..Векторные.пространства.эффективны.с.вычислительной. точки.зрения,.однако.нетрудно.представить.применение.других.структур.данных.

1. Интервью.с.Ричардом.Фейнманом,.The World from Another Point of View,.телевидение. Йоркшира,.1972.

14.1. Краткий обзор ключевых понятий    533

для.интеллекта,.например.графов..Первоначально.нейронные.сети.возникли. из.идеи.использования.графов.как.способа.кодирования.смысла,.поэтому.они. и.получили.название.«нейронные сети»;.окружающую.область.исследований. обычно.называли.коннекционизмом.(connectionism)..В.настоящее.время.назва- ние.«нейронные.сети».сохраняется.исключительно.благодаря.традиции.—.это. название.весьма.далеко.от.истины,.потому.что.они.не.являются.ни.нейронны- ми,.ни.сетями..В.частности,.нейронные.сети.едва.ли.имеют.какое-то.сходство. с.мозгом..Более.подходящим.было.бы.название.«обучаемые многоуровневые представления», .или .«обучаемые иерархические представления», .или .даже. «глубокие дифференцируемые модели»,.или.«последовательные геометрические преобразования»,.чтобы.подчеркнуть.непрерывность.манипуляций.с.геометрическим.пространством.

14.1.4. Ключевые технологии

Технологическая.революция,.разворачивающаяся.на.наших.глазах,.начиналась. не.с.какого-то.одного.прорывного.изобретения..Как.любая.другая.революция,. она.явилась.результатом.накопления.большого.числа.благоприятных.факто- ров.—.сначала.медленно,.а.потом.лавинообразно..В.случае.с.глубоким.обучением. можно.указать.на.следующие.ключевые.факторы.

.Постепенное появление алгоритмических инноваций.с.медленным.нарастанием.в.течение.двух.десятилетий.(начиная.с.алгоритма.обратного.распространения.ошибки),.а.затем.все.быстрее.и.быстрее.благодаря.увеличению.объемов. исследований.в.области.глубокого.обучения.после.2012.года.

.Доступность больших объемов сенсорных данных..Только.благодаря.этому. мы.смогли.понять,.что.все,.что.нам.нужно,.—.это.достаточно.большие.мо- дели,.обученные.на.достаточно.больших.объемах.данных..Большие.объемы. данных,.в.свою.очередь,.стали.побочным.продуктом.роста.потребительского. интернета.и.закона.Мура.применительно.к.хранилищам.данных.

.Доступность недорогого вычислительного оборудования с высокой степенью параллелизма,.особенно.графических.процессоров.(GPU),.производимых. компанией.NVIDIA,.—.первые.GPU.разрабатывались.для.игровой.индустрии,. а.затем.появились.чипы,.разработанные.специально.для.нужд.глубокого. обучения..С.самого.начала.глава.NVIDIA.Жэнь-Сунь.Хуан.отметил.рост. интереса.к.глубокому.обучению.и.решил.сделать.ставку.на.него.

.Формирование комплексного стека программных технологий, которые сделали эту вычислительную мощь доступной для людей:.языка.CUDA,.а.также. фреймворков,.таких.как.TensorFlow,.автоматически.выполняющего.дифференцирование,.и.Keras,.обеспечивающего.доступность.глубокого.обучения. для.широких.масс.