Как будет выглядеть следующее поколение искусственного интеллекта (ИИ)? Какие новые подходы к ИИ откроют невообразимые сегодня возможности в технологиях и бизнесе? В статье Роба Тэйвза «Следующее поколение искусственного интеллекта», опубликованной в Forbes, освещаются три новых направления ИИ, которые в ближайшие годы изменят и саму область, и общество.

Иван Шилов © ИА REGNUM

1. Обучение без учителя

Доминирующая парадигма в мире ИИ сегодня — это «обучение с учителем» (Supervised learning — способ машинного обучения, в ходе которого испытуемая система принудительно обучается с помощью примеров «стимул-реакция»). При обучении с учителем модели ИИ обучаются на основе наборов данных, которые люди собрали и пометили в соответствии с заранее определенными категориями.

Хотя контролируемое обучение способствовало значительному прогрессу в области ИИ за последнее десятилетие — от автономных транспортных средств до голосовых помощников — оно имеет серьезные ограничения.

Процесс пометки тысяч или миллионов точек данных вручную может быть чрезвычайно дорогим и трудозатратным. Тот факт, что люди должны маркировать данные вручную, прежде чем модели машинного обучения смогут их обработать, стал серьезным узким местом в технологии ИИ.

На более глубоком уровне обучение с учителем представляет собой узкую и ограниченную форму обучения. Вместо того, чтобы исследовать и усваивать всю скрытую информацию, взаимосвязи и последствия в определенном наборе данных, контролируемые алгоритмы ориентируются только на концепции и категории, которые исследователи определили заранее.

Напротив, «обучение без учителя» (Unsupervised learning — способ машинного обучения, при котором испытуемая система спонтанно обучается выполнять поставленную задачу без вмешательства со стороны человека) — это подход к ИИ, при котором алгоритмы обучаются на основе данных без ярлыков или меток, проставляемых человеком.

Многие лидеры ИИ рассматривают обучение без учителя как следующий большой рубеж в области ИИ. По словам легенды искусственного интеллекта Яна ЛеКуна:

«Следующая революция в области искусственного интеллекта не будет контролироваться человеком».

Профессор Калифорнийского университета в Беркли Джитенда Малик выразилась еще ярче:

«Категории данных — это опиум для исследователей машинного обучения».

Как работает обучение без учителя? Система узнает о некоторых частях мира на основе других частей мира. Наблюдая за поведением, закономерностями и отношениями между объектами — например, словами в тексте или людьми в видео — система загружает общее понимание своей среды. Некоторые исследователи резюмируют это фразой «предсказывать все, исходя из всего остального».

Неконтролируемое обучение более точно отражает то, как люди познают мир: через открытое исследование и вывод, без необходимости использования «вспомогательных колес» контролируемого обучения. Одним из его фундаментальных преимуществ является то, что в мире всегда будет гораздо больше немаркированных данных, чем маркированных (а первые гораздо легче найти).

По словам ЛеКуна, который предпочитает другой термин — обучение с самоконтролем, «при обучении с самоконтролем часть входных данных используется в качестве контролирующего сигнала для прогнозирования оставшейся части входных данных … Подробные знания о структуре мира можно получить посредством обучения с самоконтролем, а не с помощью других парадигм искусственного интеллекта, потому что данные неограниченны, а количество обратных связей, предоставляемой каждым предметом, огромно».

Обучение без учителя уже оказывает преобразующее влияние на обработку естественного языка (NLP). В последнее время NLP добилось невероятных успехов благодаря новой архитектуре обучения без учителя, известной как Transformers, которая возникла в Google около трех лет назад.

Попытки применить обучение без учителя к другим областям ИИ пока находятся на начальных этапах, но быстро прогрессируют. Возьмем один пример. Стартап под названием Helm. ai пытается использовать обучение без учителя, чтобы обойти лидеров в индустрии автономных транспортных средств.

Многие исследователи считают обучение без учителя ключом к развитию ИИ человеческого уровня. По словам ЛеКуна, овладение обучением без учителя — «величайшая проблема в области машинного обучения и искусственного интеллекта в ближайшие несколько лет».

Цитата из к/ф «Из машины». Реж. Алекс Гарленд. 2014. Великобритания

2. Интегрированное обучение

Одна из главных проблем цифровой эры — конфиденциальность данных. Поскольку данные являются источником жизненной силы современного ИИ, проблемы конфиденциальности данных играют значительную (и часто ограничивающую) роль в траектории развития ИИ.

Таким образом, ИИ, обеспечивающий сохранение конфиденциальности (то есть методы, которые позволяют моделям ИИ учиться на основе наборов данных, не ставя под угрозу их конфиденциальность) становится все более важной задачей. Возможно, наиболее многообещающим подходом к ИИ, сохраняющим конфиденциальность, является интегрированное обучение.

Концепция интегрированного обучения была впервые сформулирована исследователями Google в начале 2017 года. За последний год интерес к интегрированному обучению резко вырос: за первые шесть месяцев 2020 года было опубликовано более 1000 исследовательских работ на эту тему, в то время как за весь 2018 год подобных исследований было сделано всего 180.

Стандартный подход к созданию моделей машинного обучения сегодня — это собрать все обучающие данные в одном месте, часто в облаке, а затем обучить модель на этих данных. Но этот подход не применим для большей части мировых данных, которые по соображениям конфиденциальности и безопасности нельзя переместить в центральное хранилище данных. Это делает его недоступным для традиционных методов ИИ.

Интегрированное обучение решает эту проблему, перевернув традиционный подход к ИИ с ног на голову.

Вместо того, чтобы требовать один унифицированный набор данных для обучения модели, интегрированное обучение оставляет данные там, где они есть, распределенными между многочисленными устройствами и серверами на периферии. Вместо этого рассылаются многие версии модели — по одной на каждое устройство с обучающими данными — и обучаются локально на каждом подмножестве данных. Полученные параметры модели, но не сами данные обучения, затем отправляются обратно в облако. Когда все эти «мини-модели» интегрированы, в результате получается одна общая модель, которая функционирует так, как если бы она была обучена сразу на всем наборе данных.

Первоначальный вариант использования интегрированного обучения заключался в обучении моделей ИИ на личных данных, распределенных между миллиардами мобильных устройств. Как резюмировали исследователи, «современные мобильные устройства имеют доступ к огромному количеству данных, подходящих для моделей машинного обучения … Однако эти обширные данные часто чувствительны к конфиденциальности… Мы выступаем за альтернативу, при которой данные обучения остаются распределенными на мобильных устройствах и изучают общую модель путем агрегирования обновлений, вычисляемых локально».

В последнее время здравоохранение стало особенно многообещающей областью для применения интегрированного обучения. Легко понять почему. С одной стороны, существует огромное количество ценных примеров использования ИИ в здравоохранении. С другой стороны, медицинские данные, особенно информация, позволяющая установить личность пациентов, чрезвычайно конфиденциальны; множество правил, таких как HIPAA (Закон США о мобильности и подотчетности медицинского страхования 1996 года), ограничивают его использование и перемещение. Интегрированное обучение может позволить исследователям разрабатывать жизненно важные инструменты ИИ в сфере здравоохранения, не перемещая конфиденциальные медицинские записи из их источников и не нарушая их конфиденциальности.

Помимо здравоохранения, интегрированное обучение может однажды сыграть решающую роль в разработке любого приложения ИИ, которое включает в себя конфиденциальные данные: от финансовых услуг до автономных транспортных средств, от государственных вариантов использования до потребительских товаров всех видов. В сочетании с другими методами сохранения конфиденциальности, такими как дифференциальная конфиденциальность и гомоморфное шифрование, интегрированное обучение может предоставить ключ к раскрытию огромного потенциала ИИ, одновременно уменьшая сложную проблему конфиденциальности данных.

Волна законов о конфиденциальности данных, принимаемых сегодня во всем мире, только усилит потребность в этих методах сохранения конфиденциальности. Ожидается, что интегрированное обучение станет важной частью технологий искусственного интеллекта в ближайшие годы.

Цитата из к/ф «Двухсотлетний человек». Реж. Крис Коламбус. 1999. США, Германия

3. Transformers

Мы вступили в золотую эру обработки естественного языка.

Этим летом OpenAI выпустила GPT-3 — самую мощную языковую модель из когда-либо созданных, и сразу очаровала мир технологий. Был установлен новый стандарт в NLP: у ИИ появился навык писать стихи, заниматься функциональным программированием, составлять продуманные деловые письма, писать статьи о себе и многое другое.

GPT-3 — это всего лишь последняя (и самая крупная) в череде моделей NLP с аналогичной архитектурой — Google BERT, OpenAI GPT-2, FacebookRoBERTa и других, — которые переопределяют возможности NLP.

Ключевым технологическим прорывом, лежащим в основе этой революции в языковом ИИ, является технология Transformers.

Transformers был представлен в исторической исследовательской работе 2017 года. Раньше все современные методы NLP основывались на рекуррентных нейронных сетях (RNN). По определению, рекуррентные нейронные сети обрабатывают данные последовательно, то есть по одному слову за раз, в том порядке, в котором они появляются.

Великое нововведение Transformers заключается в том, чтобы сделать языковую обработку распараллеленной: все токены в заданном теле текста анализируются одновременно, а не последовательно. Для поддержки этого распараллеливания Transformers в значительной степени полагаются на механизм ИИ, известный как внимание. Внимание позволяет модели рассмотреть отношения между словами независимо от того, насколько они удалены друг от друга, и определить, на какие слова и фразы в отрывке нужно «обратить внимание».

Почему так важно распараллеливание? Потому что это делает Transformers намного более эффективными с точки зрения вычислений, чем RNN, а это означает, что их можно обучать на гораздо больших наборах данных. GPT-3 был обучен примерно 500 миллиардам слов и состоит из 175 миллиардов параметров, превосходя любую существующую RNN.

Transformers до сих пор были связаны почти исключительно с NLP благодаря успеху таких моделей, как GPT-3. Но только в этом месяце была выпущена революционная новая статья, в которой рассказывается о том, как Transformers успешно применяются в компьютерном зрении. Многие исследователи ИИ считают, что эта работа может предвещать новую эру в компьютерном зрении.

В то время как ведущие компании в области ИИ, такие как Google и Facebook, начали запускать в производство модели на основе Transformers, большинство организаций все еще находятся на ранних этапах производства и коммерциализации этой технологии. OpenAI объявила о планах сделать GPT-3 коммерчески доступным через API, что могло бы создать целую экосистему стартапов, создающих приложения на его основе.

Есть подозрение, что Transformers станут основой для целого нового поколения возможностей ИИ в предстоящие годы, начиная с естественного языка. Каким бы захватывающим ни было последнее десятилетие для ИИ, оно может оказаться лишь прелюдией к предстоящему десятилетию.

Читайте ранее в этом сюжете: Microsoft создает алгоритмы, расширяющие творческие возможности человека