來源丨新智元

極市導(dǎo)讀

 

2018圖靈獎獲得者Yoshua Bengio, Yann LeCun和Geoffrey Hinton再次受ACM邀請共聚一堂，共同回顧了深度學習的基本概念和一些突破性成果，講述了深度學習的起源、發(fā)展及未來的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

2018年，ACM（國際計算機學會）決定將計算機領(lǐng)域的最高獎項圖靈獎頒給Yoshua Bengio、Yann LeCun 和 Geoffrey Hinton，以表彰他們在計算機深度學習領(lǐng)域的貢獻。

這也是圖靈獎第三次同時頒給三位獲獎?wù)摺?/span>

 

用于計算機深度學習的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在上世紀80年代就已經(jīng)被提出，但是在當時科研界由于其缺乏理論支撐，且計算力算力有限，導(dǎo)致其一直沒有得到相應(yīng)的重視。

 

是這三巨頭一直在堅持使用深度學習的方法，并在相關(guān)領(lǐng)域進行了深入研究。通過實驗發(fā)現(xiàn)了許多驚人的成果，并為證明深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際優(yōu)勢做出了貢獻。

所以說他們是深度學習之父毫不夸張。

 

在AI界，當Yoshua Bengio、Yann LeCun 和 Geoffrey Hinton 這三位大神同時出場的時候，一定會有什么大事發(fā)生。

 

最近，深度學習三巨頭受ACM通訊雜志之邀，共同針對深度學習的話題進行了一次深度專訪，提綱挈領(lǐng)地回顧了深度學習的基本概念、最新的進展，以及未來的挑戰(zhàn)。

 

廣大的AI開發(fā)者們，看了高人指點之后是不是對于未來之路更加明晰了？下面我們來看看他們都聊了些什么。

深度學習的興起

 

在2000年代早期，深度學習引入的一些元素，讓更深層的網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練變得更加容易，也因此重新激發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。

 

GPU和大型數(shù)據(jù)集的可用性是深度學習的關(guān)鍵因素，也得到了具有自動區(qū)分功能、開源、靈活的軟件平臺（如Theano、Torch、Caffe、TensorFlow等）的增強作用。訓(xùn)練復(fù)雜的深度網(wǎng)絡(luò)、重新使用最新模型及其構(gòu)建塊也變得更加容易。而更多層網(wǎng)絡(luò)的組合允許更復(fù)雜的非線性，在感知任務(wù)中取得了意料之外的結(jié)果。

深度學習深在哪里？有人認為，更深層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能更加強大，而這種想法在現(xiàn)代深度學習技術(shù)出現(xiàn)之前就有了。但是，這樣的想法其實是由架構(gòu)和訓(xùn)練程序的不斷進步而得來的，并帶來了與深度學習興起相關(guān)的顯著進步。

 

更深層的網(wǎng)絡(luò)能夠更好地概括「輸入-輸出關(guān)系類型」，而這不僅只是因為參數(shù)變多了。深度網(wǎng)絡(luò)通常比具有相同參數(shù)數(shù)量的淺層網(wǎng)絡(luò)具有更好的泛化能力。例如，時下流行的計算機視覺卷積網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類別是ResNet系列，其中最常見的是ResNet-50，有50層。

 

圖源：知乎@臭咸魚

 

深度網(wǎng)絡(luò)之所以能夠脫穎而出，是因為它利用了一種特定形式的組合性，其中一層的特征以多種不同的方式組合，這樣在下一層就能夠創(chuàng)建更多的抽象特征。

 

無監(jiān)督的預(yù)訓(xùn)練。當標記訓(xùn)練示例的數(shù)量較小，執(zhí)行任務(wù)所需的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也較小時，能夠使用一些其他信息源來創(chuàng)建特征檢測器層，再對這些具有有限標簽的特征檢測器進行微調(diào)。在遷移學習中，信息源是另一種監(jiān)督學習任務(wù)，具有大量標簽。但是也可以通過堆疊自動編碼器來創(chuàng)建多層特征檢測器，無需使用任何標簽。

線性整流單元的成功之謎。早期，深度網(wǎng)絡(luò)的成功，是因為使用了邏輯sigmoid非線性函數(shù)或與之密切相關(guān)的雙曲正切函數(shù)，對隱藏層進行無監(jiān)督的預(yù)訓(xùn)練。

 

長期以來，神經(jīng)科學一直假設(shè)線性整流單元，并且已經(jīng)在 RBM 和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些變體中使用。讓人意想不到的是，人們驚喜地發(fā)現(xiàn)，非線性整流通過反向傳播和隨機梯度下降，讓訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)變得更加便捷，無需進行逐層預(yù)訓(xùn)練。這是深度學習優(yōu)于以往對象識別方法的技術(shù)進步之一。

 

語音和物體識別方面的突破。聲學模型將聲波轉(zhuǎn)換為音素片段的概率分布。Robinson、Morgan 等人分別使用了晶片機和DSP芯片，他們的嘗試均表明，如果有足夠的處理能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以與最先進的聲學建模技術(shù)相媲美。

 

2009年，兩位研究生使用 NVIDIA GPU ，證明了預(yù)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在 TIMIT 數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)略優(yōu)于 SOTA。這一結(jié)果重新激起了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中幾個主要語音識別小組的興趣。2010 年，在不需要依賴說話者訓(xùn)練的情況下，基本一致的深度網(wǎng)絡(luò)能在大量詞匯語音識別方面擊敗了 SOTA 。2012 年，谷歌顯著改善了 Android 上的語音搜索。這是深度學習顛覆性力量的早期證明。

 

大約在同一時間，深度學習在 2012 年 ImageNet 競賽中取得了戲劇性的勝利，在識別自然圖像中的一千種不同類別的物體時，其錯誤率幾乎減半。這場勝利的關(guān)鍵在于，李飛飛及其合作者為訓(xùn)練集收集了超過一百萬張帶標簽的圖像，以及Alex Krizhevsky 對多個 GPU 的高效使用。

 

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有新穎性，例如，ReLU能加快學習，dropout能防止過度擬合，但它基本上只是一種前饋卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Yann LeCun 和合作者多年來一直都在研究。

 

計算機視覺社區(qū)對這一突破的反應(yīng)令人欽佩。證明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越性的證據(jù)無可爭議，社區(qū)很快就放棄了以前的手工設(shè)計方法，轉(zhuǎn)而使用深度學習。

 

深度學習近期的主要成就

三位大神選擇性地討論了深度學習的一些最新進展，如軟注意力（soft attention）和Transformer 架構(gòu)。

 

深度學習的一個重大發(fā)展，尤其是在順序處理方面，是乘法交互的使用，尤其是軟注意力的形式。這是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的變革性補充，因為它將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從純粹的矢量轉(zhuǎn)換機器，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌騽討B(tài)選擇對哪些輸入進行操作的架構(gòu)，并且將信息存儲在關(guān)聯(lián)存儲器中。這種架構(gòu)的關(guān)鍵特性是，它們能有效地對不同類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作。

 

軟注意力可用于某一層的模塊，可以動態(tài)選擇它們來自前一層的哪些向量，從而組合，計算輸出。這可以使輸出獨立于輸入的呈現(xiàn)順序（將它們視為一組），或者利用不同輸入之間的關(guān)系（將它們視為圖形）。

Transformer 架構(gòu)已經(jīng)成為許多應(yīng)用中的主導(dǎo)架構(gòu)，它堆疊了許多層“self-attention”模塊。同一層中對每個模塊使用標量積來計算其查詢向量與該層中其他模塊的關(guān)鍵向量之間的匹配。匹配被歸一化為總和1，然后使用產(chǎn)生的標量系數(shù)來形成前一層中其他模塊產(chǎn)生的值向量的凸組合。結(jié)果向量形成下一計算階段的模塊的輸入。

模塊可以是多向的，以便每個模塊計算幾個不同的查詢、鍵和值向量，從而使每個模塊有可能有幾個不同的輸入，每個輸入都以不同的方式從前一階段的模塊中選擇。在此操作中，模塊的順序和數(shù)量無關(guān)緊要，因此可以對向量集進行操作，而不是像傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中那樣對單個向量進行操作。例如，語言翻譯系統(tǒng)在輸出的句子中生成一個單詞時，可以選擇關(guān)注輸入句子中對應(yīng)的一組單詞，與其在文本中的位置無關(guān)。

 

未來的挑戰(zhàn)

深度學習的重要性以及適用性在不斷地被驗證，并且正在被越來越多的領(lǐng)域采用。對于深度學習而言，提升它的性能表現(xiàn)有簡單直接的辦法——提升模型規(guī)模。

 

通過更多的數(shù)據(jù)和計算，它通常就會變得更聰明。比如有1750億參數(shù)的GPT-3大模型（但相比人腦中的神經(jīng)元突觸而言仍是一個小數(shù)目）相比只有15億參數(shù)的GPT-2而言就取得了顯著的提升。

 

但是三巨頭在討論中也透露到，對于深度學習而言仍然存在著靠提升參數(shù)模型和計算無法解決的缺陷。

 

比如說與人類的學習過程而言，如今的機器學習仍然需要在以下幾個方向取得突破：

 

1、監(jiān)督學習需要太多的數(shù)據(jù)標注，而無模型強化學習又需要太多試錯。對于人類而言，像要學習某項技能肯定不需要這么多的練習。

2、如今的系統(tǒng)對于分布變化適應(yīng)的魯棒性比人類差的太遠，人類只需要幾個范例，就能夠快速適應(yīng)類似的變化。

3、如今的深度學習對于感知而言無疑是最為成功的，也就是所謂的系統(tǒng)1類任務(wù)，如何通過深度學習進行系統(tǒng)2類任務(wù)，則需要審慎的通用步驟。在這方面的研究令人期待。

 

在早期，機器學習的理論學家們始終關(guān)注于獨立相似分布假設(shè)，也就是說測試模型與訓(xùn)練模型服從相同的分布。而不幸的是，在現(xiàn)實世界中這種假設(shè)并不成立：比如說由于各種代理的行為給世界帶來的變化，就會引發(fā)不平穩(wěn)性；又比如說總要有新事物去學習和發(fā)現(xiàn)的學習代理，其智力的界限就在不斷提升。

 

所以現(xiàn)實往往是即便如今最厲害的人工智能，從實驗室投入到實際應(yīng)用中時，其性能仍然會大打折扣。

 

所以三位大神對于深度學習未來的重要期待之一，就是當分布發(fā)生變化時能夠迅速適應(yīng)并提升魯棒性（所謂的不依賴于分布的泛化學習），從而在面對新的學習任務(wù)時能夠降低樣本數(shù)量。

 

如今的監(jiān)督式學習系統(tǒng)相比人類而言，在學習新事物的時候需要更多的事例，而對于無模型強化學習而言，這樣的情況更加糟糕——因為相比標注的數(shù)據(jù)而言，獎勵機制能夠反饋的信息太少了。

 

所以，我們該如何設(shè)計一套全新的機械學習系統(tǒng)，能夠面對分布變化時具備更好的適應(yīng)性呢？

 

從同質(zhì)層到代表實體的神經(jīng)元組

 

如今的證據(jù)顯示，相鄰的神經(jīng)元組可能代表了更高級別的向量單元，不僅能夠傳遞標量，而且能夠傳遞一組坐標值。這樣的想法正是膠囊架構(gòu)的核心，在單元中的元素與一個向量相關(guān)聯(lián)，從中可以讀取關(guān)鍵向量、數(shù)值向量（有時也可能是一個查詢向量）。

 

適應(yīng)多個時間尺度

 

大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有兩個時間尺度：權(quán)重在許多示例中適應(yīng)得非常慢，而行為卻在每個新輸入中對于變化適應(yīng)得非?？焖?。通過添加快速適應(yīng)和快速衰減的“快速權(quán)重”的疊加層，則會讓計算機具備非常有趣的新能力。

 

尤其是它創(chuàng)建了一個高容量的短期存儲，可以允許神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行真正的遞歸，，其中相同的神經(jīng)元可以在遞歸調(diào)用中重復(fù)使用，因為它們在更高級別調(diào)用中的活動向量可以重建稍后使用快速權(quán)重中的信息。

 

多時間尺度適應(yīng)的功能在元學習（meta-learning）中正在逐漸被采納。

 

更高層次的認知

 

在考慮新的任務(wù)時，例如在具有不一樣的交通規(guī)則的城市中駕駛，甚至想象在月球上駕駛車輛時，我們可以利用我們已經(jīng)掌握的知識和通用技能，并以新的方式動態(tài)地重新組合它們。

 

但是當我們采用已知的知識來適應(yīng)一個新的設(shè)置時，如何避免已知知識對于新任務(wù)帶來的噪音干擾？開始步驟可以采用Transformer架構(gòu)和復(fù)發(fā)獨立機制Recurrent Independent Mechanisms）。

 

對于系統(tǒng)1的處理能力允許我們在計劃或者推測時猜測潛在的好處或者危險。但是在更高級的系統(tǒng)級別上，可能就需要AlphaGo的蒙特卡羅樹搜索的價值函數(shù)了。

 

機械學習依賴于歸納偏差或者先驗經(jīng)驗，以鼓勵在關(guān)于世界假設(shè)的兼容方向上學習。系統(tǒng)2處理處理的性質(zhì)和他們認知的神經(jīng)科學理論，提出了幾個這樣的歸納偏差和架構(gòu)，可以來設(shè)計更加新穎的深度學習系統(tǒng)。那么如何訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠讓它們發(fā)現(xiàn)這個世界潛在的一些因果屬性呢？

 

在20世紀提出的幾個代表性的AI研究項目為我們指出了哪些研究方向？顯然，這些AI項目都想要實現(xiàn)系統(tǒng)2的能力，比如推理能力、將知識能夠迅速分解為簡單的計算機運算步驟，并且能夠控制抽象變量或者示例。這也是未來AI技術(shù)前進的重要方向。

 

聽完三位的探討，大家是不是覺得在AI之路上，光明無限呢？

參考資料：

https://cacm.acm.org/magazines/2021/7/253464-deep-learning-for-ai/fulltext

本文亮點總結(jié)

1.深度學習的一個重大發(fā)展，尤其是在順序處理方面，是乘法交互的使用，尤其是軟注意力的形式。這是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的變革性補充，因為它將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從純粹的矢量轉(zhuǎn)換機器，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌騽討B(tài)選擇對哪些輸入進行操作的架構(gòu)，并且將信息存儲在關(guān)聯(lián)存儲器中。這種架構(gòu)的關(guān)鍵特性是，它們能有效地對不同類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作。

2.三位大神對于深度學習未來的重要期待之一，就是當分布發(fā)生變化時能夠迅速適應(yīng)并提升魯棒性（所謂的不依賴于分布的泛化學習），從而在面對新的學習任務(wù)時能夠降低樣本數(shù)量。

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