Как устроены нейронные сети?

Анатолий Левенчук, руководитель TechInvestLab, рассказал, как устроены искусственные нейронные сети, чем они отличаются от традиционных компьютерных программ и почему этот тренд останется с нами надолго.

Что такое deep learning?

Впервые об успехах глубокого обучения (deep learning) стало слышно в 2012 году, а через три года уже все только о нем и говорят. Так же было с интернетом в эпоху надувания инвестиционного пузыря. А поскольку в нейронные сети делаются сейчас немаленькие вложения, то смело можно говорить о новом пузыре.

Интернет было легко демонстрировать: сначала быстрая (по сравнению с бумажной) электронная почта, потом красочные вебсайты, доступные на любом подключенном к Сети компьютере. В глубоком обучении все не так: внимание к нему есть, а продемонстрировать что-то конкретное нельзя. Действительно, что связывает программы распознавания речи и программы автоматического перевода, программы определения неисправностей нефтегазового оборудования и программы синтеза текста, описывающего фотоснимки?

Это разнообразие не случайно: если интернет – это просто вид связи, то глубокие нейронные сети (deep neural networks, DNN) – по сути, новый тип программ, столь же универсальный, как и традиционные компьютерные программы. Эта универсальность доказана теоретически: нейронная сеть в теории может бесконечно точно аппроксимировать любую функцию многих переменных – а еще проводить вычисления, эквивалентные вычислениям машины Тьюринга.

Сети, которые нужно учить

Передавать информацию по интернету можно очень однообразно, унифицированными пакетами, на этой идее он и построен. А вот генерировать информацию и потреблять ее можно по-разному. Компьютерные программы, которые этим занимаются, очень разные. Нейронные сети такие же, они обеспечивают такое же разнообразие обработки.

Описывать сегодня, что такое нейронные сети – это описывать в конце пятидесятых годов, что такое традиционные компьютерные программы (а язык Фортран был выпущен в свет в 1957 году) – если бы вы начали бы рассказывать, что компьютеры будут управлять зажиганием в каждом автомобиле, а также показывать порнофильмы на экранах телефонов, вас бы подняли на смех.

Если сейчас вам рассказать, что вы будете беседовать с нейронной компьютерной сетью в вашем планшете, и нейронная сеть будет управлять автомобилем без водителя, вы тоже не поверите – а зря.

Кстати, «порнокартинки» в социальных сетях уже обнаруживают не люди, а сами сети. А ведь этим в мире занимались 100 тыс. человек, которые отсматривали терабайты и терабайты фото и видео. Мир обработки данных с появлением глубокого обучения вдруг начал меняться, и стремительно.

В отличие от традиционных компьютерных программ, нейронные сети не нужно «писать», их нужно «учить». И их можно научить тому, что бесконечно трудно (если вообще возможно) воплотить традиционной программной инженерией. Например, нейронные сети уже научились распознавать аудио и видео на уровне людей – и даже лучше них. Или наоборот, создавать аудио и видео – если у вас есть воплощенное в наученной глубокой нейронной сети понимание изображений каких-то объектов, это же понимание можно использовать и для создания изображений этих объектов. Синтез голоса, текста и изображений еще не появился на рынке, но эксперименты уже показывают успехи, раньше в этой области недостижимые. Более того, нейронные сетки могут не только анализировать данные, но и выдавать команды. Так, они научились играть в игры Atari 2600, причем во многие даже лучше человека, и их не пришлось специально для этого программировать.

Как это стало возможным только сегодня? Почему таких результатов не достигли давно, еще до появления того же интернета? Ведь рассуждения о возможностях нейронных сетей ведутся с тех же 50-х годов прошлого века!

Во-первых, стало понятно, как научить глубокие нейронные сети – какая там работает математика. Глубокая нейронная сеть – значит, с глубиной больше двух слоев. Если слоев меньше, то речь идет о мелком (shallow) обучении. Если число слоев больше десяти, то говорят об очень глубоком обучении, но пока что такое встречается редко. Раньше нейронные сети пытались учить методом проб и ошибок (он же – метод «научного тыка»), и так получалось обучать только мелкие сети. Со временем появилось понимание математики многослойных нейронных сетей, их стало возможно проектировать, пришло понимание, как создавать новые виды сетей и обеспечить их обучаемость.

Во-вторых, работает нейронная сеть быстро, но обучается очень медленно, и для этого требуются огромные объемы данных – big data. И чем больше слоев в нейронной сети, тем больше у такой сети запросы к вычислительной мощности при обучении. По факту, еще совсем недавно нейронные сети можно было научить чему-либо только на суперкомпьютере.

Сегодня ситуация изменилась, так как к работе с нейронными сетями подключили видеокарты – и это ускорило их обучение в десяток раз. Но даже настолько ускоренное обучение часто означает многие часы и даже дни, а иногда и недели, расчетов. Единственное, что утешает, это то, что в случае традиционного программирования для решения таких же задач потребовались бы не то что недели, а годы работы программистов.

Но после того, как глубокая нейронная сеть обучена, ее работа обычно в сотни и тысячи раз быстрее, чем у традиционных алгоритмов. Программа занимает и в сотни раз меньше оперативной памяти при лучшем качестве результатов.

«Нейросетьмастера»

Необычные свойства этих сетей привело к тому, что практически все международные соревнования по анализу данных выигрывают глубокие нейронные сети. И если у вас стоит какая-то задача анализа данных, а этих данных очень и очень много, то большой шанс, что в таком случае глубокие нейронные сети тоже выиграют.

Профессия тех, кто занимается нейронными сетями, даже пока не имеет названия. Если на заре интернета появилось понятие «вебмастер» (и просуществовало целых пять или шесть лет), то аналогичной «нейросетьмастер»-профессии пока нет. В области big data такие специалисты называют себя «учеными данных» (data scientists), но все-таки их работа имеет ту же инженерную природу, что и работа программистов. Инженеры измеряют, анализируют, проектируют, строят и целевые системы, и инструменты для инженерии. Программная инженерия (software engineering) отличается от компьютерной науки (computer science). С нейронными сетями то же самое: названия профессии пока нет, но уже есть инженеры, которые вам помогут их создать, обучить и использовать. По счастью, за последний год появилась развитая инфраструктура для новой профессии: университетские учебные курсы, десятки тьюториалов, книги, соревновательные и тренировочные площадки, огромное количество свободных программ. Только в русскоязычном сообществе глубокого обучения ВКонтакте сегодня почти 2 тыс. человек, там организована новостная лента самых интересных событий, и ни дня не проходит без нескольких записей.

Это мода, которая пришла, чтобы остаться, как тот же интернет, или поветрие, которое пройдет без следа, как это произошло с «семантическим вебом»? Похоже, что нейронные сети останутся с нами навсегда: в их основе лежат те же принципы, что и в эволюции. Эволюция работает не просто статистически, она умеет преодолевать локальные оптимумы-ловушки, проходя через тысячи и миллионы нейтральных изменений перед тем, как перейти на новый уровень сложности. Нейронные сети обладают такой же «эволюционностью», это было подмечено еще в начале 80-х.

Присоединяйтесь к веселью, вы еще никуда не опоздали. Все только начинается!

Источник