Нейронные сети: новая теория раскрывает тайну их работы

Как одно выступление на конференции стало сенсацией в мире искусственного интеллекта? Натали Волчоувер на сайте WIRED рассказала об открытии, которое может привести к пониманию того, как работают нейронные сети.

Хотя алгоритмы, известные как “глубокие нейронные сети”, научились водить автомобили, побеждать чемпионов видеоигр и Го, рисовать картины, предсказывать погоду и делать научные открытия, они поставили в тупик своих создателей, потому что никто не ожидал, что алгоритмы глубокого обучения будут так хорошо работать. Ведь в основе этих систем лежало исключительно смутное представление об архитектуре мозга (работу которого тоже никто не понимает).

Как и мозг, глубокая нейронная сеть обладает слоями нейронов, только искусственными, то есть, фрагментами компьютерной памяти. Когда нейрон возбуждается, он отправляет сигналы связанным с ним нейронам в другой слой. Во время глубокого обучения связи в сети усиливаются или ослабевают для того, чтобы система лучше передавала сигнал от внешних данных (например, фото собаки) к слоям нейронов, ассоциированных с нужными высокоуровневыми концепциями, например, “собакой”. После того, как глубокая нейросеть научилась на тысячах образцов фотографий собак, она сможет узнавать их на фото так же, как и люди. Волшебный скачок от частных случаев к общим концепциям дает нейросетям их силу, как и лежит в основе человеческого мышления, творчества и других способностей, которые в совокупности называют «интеллектом». Эксперты не знали, что позволяет сетям глубокого обучения проводить обобщение и до какой степени это восприятие реальности похоже на человеческий мозг.

В июле этого года на YouTube появилась запись выступления на конференции в Берлине, которая предлагает возможный ответ. В своем докладе Нафтали Тишби, ученый и нейробиолог из Еврейского университета в Иерусалиме, представил доказательство в поддержку новой теории, объясняющей глубокое обучение. Тишби считает, что глубокие нейронные сети учатся при помощи “информационного бутылочного горлышка”, процедуры, которую он и его коллеги описали в 1999. Идея заключается в том, что нейросеть избавляется от лишних входных данных и деталей, “проталкивая” информацию через бутылочное горлышко и оставляя только самые подходящие под общее определение признаки. Компьютерные эксперименты Тишби и его студента Равида Шварца-Зив показали, как эта процедура происходит во время глубокого обучения.

Эти находки взбудоражили AI-сообщество. “Я верю, что идея о бутылочном горлышке может быть очень важной в будущем исследовании нейронных сетей”, — сказал Алекс Алеми из Google Research, который уже разработал новые методы аппроксимации для исследования теории на более крупных нейронных сетях. Бутылочное горлышко может выступать “не только как теоретический инструмент понимания работы нейронных сетей, но и как инструмент создания новых целей и структур нейронных сетей”, сказал Алеми.

Некоторые исследователи сомневаются, что эта теория полностью объясняет успех глубокого обучения, но Кайл Кранмер из университета Нью-Йорка, который использует машинное обучение для изучения столкновения частиц на Большом адронном коллайдере, говорит, что “это похоже на правду”.

Джоффри Хинтон, первопроходец в глубоком обучении, написал письмо Тишби после того, как посмотрел его выступление. “Это очень интересно. Мне нужно будет послушать его ещё десять тысяч раз, чтобы действительно понять, но в наше время редко услышишь выступление с действительно оригинальной идеей, которая может быть ответом на большую загадку”.

Согласно Тишби, который считает этот принцип фундаментальным для любого обучения, этот долгожданный ответ значит, что “самая главная часть обучения — это забывание”.

Нейронные сети и ИИ: самое сложное – понять, чего мы хотим

Бутылочное горлышко

Тишби начал задумываться об информационном бутылочном горлышке, когда другие исследователи начинали работать с глубокими нейронными сетями, хотя ни одна концепция ещё не имела названия. Это было в 1980-х, когда Тишби думал о том, как хорошо люди распознают речь друг друга, что было проблемой в изучении искусственного интеллекта в то время. Тишби понял, что суть проблемы заключается в вопросе релевантности — какие самые значимые признаки произнесенного слова и как мы отделяем их от переменных, таких как акценты, дикция и интонация? Какие сигналы мы выделяем из моря данных реальности?

“Эта идея релевантности информации упоминалась множество раз, но никогда не была корректно сформулирована”, — сказал Тишби в интервью. “Долгие годы люди думали, что теория информации не подходит к размышлениям о релевантности, и эти заблуждения восходят к самому Шеннону.”

Клод Шеннон, создатель теории информации, в определенном смысле запустил изучение информации в 1940-х, позволив рассматривать информацию как абстрактную категорию, нули и единицы с чисто математическим значением. Как говорит Тишби, Шеннон принял точку зрения, что “информация не имеет отношения к семантике”. Но Тишби считает, что это не так. Используя теорию информации, «вы можете строго определить “релевантность”».

Представьте, что X — сложный набор данных, как пиксели на фото собаки, а Y — простая переменная, представленная этими данными, как слово “собака”. Вы можете захватить всю «релевантную» информацию об X в Y, сжимая X настолько, насколько сможете, не теряя способности прогнозировать Y. В своей статье 1999 года Тишби и его соавторы Фернандо Перейра (сейчас работает в Google) и Уильям Биалек (сейчас работает в Пристонском университете) сформулировали это предположение как проблему математической оптимизации. Это была фундаментальная идея без практического применения.

“Я думал об этом в разном контексте последние тридцать лет”, — говорит Тишби. “Мне повезло, что глубокие нейронные сети стали такими важными.”

Глаза на лицах на людях

Хотя концепция глубоких нейронных сетей существует десятки лет, их производительность в задачах распознавания речи и изображений выросла в начале 2010-х благодаря улучшенным схемам обучения и более мощным компьютерным процессорам. Тишби узнал о потенциальной связи этого улучшения и своего принципа бутылочного горлышка в 2014, после прочтения статьи физиков Давида Шваба и Панкажа Мехты.

Они узнали, что изобретенные Хинтоном алгоритм под названием “сеть глубокого убеждения” работает, как ренормализация, метод, который используется в физике, чтобы получить общее представление о физической системе по её деталям. Когда Шваб и Мехта применили сеть глубокого убеждения к модели магнита в его “критической точке”, где система фрактальна в любом масштабе, они обнаружили, что сеть автоматически использовала похожую на ренормализацию методику, чтобы вычислить состояние модели. Это было удивительным признаком того, что “выделение релевантных признаков в контексте статистической физики и выделение релевантных признаков в контексте глубокого обучения не просто одинаково называются, но и являются одним и тем же”, как сказал биофизик Илья Неменман.

Проблема только заключается в том, что реальный мир не фрактален. “Естественный мир — это не уши на ушах на ушах, это глаза на лицах на людях,” — сказал Кранмер. “Поэтому я бы не сказал, что [процедура ренормализации] является причиной хорошей работы нейросетей с изображениями”. Но Тишби, который в то время проходил химиотерапию от рака поджелудочной железы, понял, что всё это можно охватить более широкой идеей. “Размышление о науке и роли моих старых идей стало важной частью моего исцеления”, — сказал он.

В 2015 Тишби и его студентка Нога Заславски предположили, что глубокое обучение представляет собой процедуру информационного бутылочного горлышка, которое отсеивает лишние данные, сохраняя информацию о предмете, который представляют данные. Новые эксперименты с глубокими нейросетями показывают, как происходит процедура бутылочного горлышка. В одном случае исследователи использовали небольшие сети, которые можно было научить маркировать входящие данные единицей или нулем (“собака” или “не собака”) и создали в 282 нейронных связях случайные сигналы. Затем они отследили, что случилось, когда сети начали обучение на 3000 наборах данных.

Базовый алгоритм, используемый в большинстве процедур глубокого обучения для настройки ответа нейронных связей на данные, называется “стохастическим градиентным спуском”. Каждый раз, когда сеть получает данные, сигнал каскадом поднимается через слои искусственных нейронов. Когда сигнал достигает верхнего слоя, финальный шаблон можно сравнить с корректной пометкой для изображения — 1 или 0, “собака” или “не собака”. Любые различия между этим шаблоном и правильным ответом «обратно распространяются» по слоям, как учитель, исправляющий экзамен, алгоритм усиливает или ослабляет каждое соединение, чтобы улучшить сеть для создания правильного выходного сигнала. В ходе обучения общие шаблоны в данных обучения отражаются в силе соединений, и сеть становится экспертом в правильной маркировке данных, узнавая собаку, слово или единицу.

В своих экспериментах Тишби и Шварц-Зив отслеживали, насколько много информации о каждом слое глубокой нейронной сети сохраняются о входных данных и о том, какая информация хранится в каждом о выходной метке. Ученые обнаружили, что постепенно сети сходятся к теоретическому ограничению информационного бутылочного горлышка: теоретическому пределу, полученному в оригинальной статье Тишби, Перейры и Биалека. Предел представляет собой абсолютное лучший результат, который может получить система при извлечении релевантной информации. На этой границе система сжимает входные данные максимально сильно, не жертвуя способностью точно предсказывать его категорию.

Тишби и Шварц-Зив сделали интересное открытие, что глубокое обучение происходит в две фазы: короткая фаза “подстройки”, в которой сеть учится маркировать данные для обучения, и длинная фаза “сжатия”, в которой сеть становится лучше в обобщении, которое измеряется производительностью сети в маркировке новых тестовых данных.

Когда нейросеть подстраивает свои связи под стохастический градиентный спуск, поначалу количество бит, которое она хранит о входных данных, остается примерно постоянным или незначительно увеличивается, поскольку связи настраиваются на кодирование паттернов на входе, и сеть получает хорошие результаты при установке меток на него. Некоторые эксперты сравнили этот этап с запоминанием.

Затем обучение переходит в фазу сжатия. Сеть начинает сжимать информацию о входных данных, отслеживая только самые заметные признаки, коррелирующие с выходной меткой. Это происходит, потому что в каждой итерации градиентного спуска происходят случайные корреляции, приказывающие сети делать разные вещи и делать связи сильнее или слабее. Эта рандомизация является сжатием представления системы о входных данных. Например, на некоторых фотографиях собак могут быть дома, а на некоторых могут не быть. Когда сеть анализирует эти фотографии, она может “забыть” корреляцию между домами и собаками на некоторых фотографиях, хотя другие фото этому противодействуют. Понимание общих концепций системой и формируется забыванием некоторых признаков. В самом деле, эксперименты показали, что способность нейронной сети к обобщению становится лучше во время фазы сжатия. (Глубокая нейронная сеть, натренированная на фото собак, может быть протестирована на других фото, с собаками или без них.)

Ещё предстоит узнать, управляет ли информационное бутылочное горлышко всеми режимами глубокого обучения или существуют другие способы обобщения помимо сжатия. Некоторые ИИ-эксперты рассматривают идеи Тишби как одни из самых важных недавних теоретических открытий о глубоком обучении. Эндрю Сакс, исследователь ИИ и нейробиолог в Гарвардском университете, заметил, что некоторые большие нейронные сети не требуют долгой фазы сжатия, чтобы хорошо совершать обобщение. Вместо этого исследователи программируют нечто под названием ранняя остановка, которая сокращает время обучения, чтобы сеть не кодировала слишком много корреляций.

Тишби говорит, что модели сетей, проанализированные Саксом и его коллегами, отличаются от стандартной архитектуры нейронных сетей, но теория информационного бутылочного горлышка объясняет их производительность лучше, чем другие методы. Вопросы о том, существует ли бутылочное горлышко в более крупных нейронных сетях, частично рассматриваются в последних экспериментах Тишби и Шварца-Зива, в которых они обучают гораздо более крупные нейронные сети с 330,000 соединениями для распознавания рукописных цифр в базе данных MNIST с 60,000 изображений, которая является известным эталоном для оценки эффективности алгоритмов глубокого обучения. Ученые увидели такую же конвергенцию сетей; они также наблюдали две отдельные фазы глубокого обучения, разделенные еще более резким переходом, чем в небольших сетях. «Теперь я полностью убежден, что это общее явление», — сказал Тишби.

Нейронные сети: люди и машины

Загадка того, как мозг просеивает сигналы от наших чувств и поднимает их до уровня сознательной осведомленности, вызывала много интереса среди первых исследователей искусственного интеллекта, которые надеялись воссоздать процесс обучения мозга. По большей части они уже отказались от этого пути технологического прогресса и стали усиливать производительность, а не гнаться за биологическим правдоподобием. Тем не менее, поскольку машины для мышления достигают все больших подвигов, даже вызывая опасения, что ИИ может когда-нибудь стать экзистенциальной угрозой, многие надеются, что эти исследования откроют общие идеи об обучении и интеллекте.

Грозит ли нам абсолютная власть искусственного интеллекта?

Бренден Лейк, изучающий различия и сходства между обучением людей и машин, сказал, что находки Тишби представляют собо “важный шаг к вскрытию черного ящика нейронных сетей”, но он подчеркнул, что мозг является гораздо более сложным черным ящиком. Наши взрослые мозги, которые имеют несколько сотен триллионов связей между 86 миллиардами нейронов, по всей вероятности, используют ряд уловок для усиления обобщения, выходя за рамки основных процедур обучения распознаванию образов и звука, которые происходят во время младенчества и которые могут во многом напоминать глубокое обучение.

Например, Лейк сказал, что две фазы глубокого обучения не похожи на способ изучения детьми рукописных букв, которое он изучает. Детям не нужно видеть тысячи примеров и сжимать свое представление о буквах долгий период времени, чтобы узнать другие примеры этих букв и писать их самостоятельно. Они могут научиться этому на одном примере. Модели Лейка и его коллег предполагают, что мозг может деконструировать новую букву как серию “ударов” — ранее существовавших ментальных конструкций — что позволяет связать концепцию письма с предшествующим знанием. «Вместо того, чтобы думать о изображении буквы как шаблоне пикселей и изучать концепцию как отображение этих признаков», как в стандартных алгоритмах машинного обучения, пояснил Лейк, «я пытаюсь построить простую причинную модель буквы», то есть, создать более короткий путь к обобщению.

Такие идеи о мозге могут пригодиться AI-сообществу, способствуя обмену информацией между этими сферами. Тишби верит, что его теория окажется полезной в обеих дисциплинах, даже если она принимает более общую форму в обучении людей. Теория уже позволяет понять, какие типы проблем могут решать настоящие и искусственные нейронные сети. “Это дает полную характеристику проблем, которые можно изучить”, говорит Тишби. Это «проблемы, в которых я могу стереть шум из входных данных, не нанося ущерба моей способности классифицировать. Это проблемы естественного зрения и распознавания речи. Это именно те проблемы, с которыми может справиться наш мозг».

Однако и реальные, и искусственные нейронные сети не справляются с проблемами, в которых важна каждая деталь, а разница в минутах может испортить весь результат. Например, многие люди не могут быстро перемножить два больших числа в уме. “У нас есть большой ряд подобных проблем, логических задач, очень чувствительных к изменению одной переменной. Классификация, дискретные проблемы, криптографические проблемы. Я не думаю, что глубокое обучение когда-нибудь поможет мне взломать криптографические коды”.

Обобщение — информационное бутылочное горлышко — значит отбрасывание некоторых деталей. Оно не подходит для сложных вычислений в уме, но они и не являются основной задачей мозга. Мы ищем знакомые лица в толпе, порядок в хаосе, заметные сигналы в шумном мире.