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| 本文作者： 我在思考中 | 2022-01-13 16:01 |
編輯丨青暮
Jeff Dean表示，“在過(guò)去幾十年里，我們見證了機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的許多重大變化。早期方法的失效促進(jìn)了現(xiàn)代方法的誕生，并被證明非常有效?！?/span>
按照這種發(fā)展模式，他認(rèn)為，我們將在未來(lái)幾年內(nèi)見證一些“令人興奮的進(jìn)展”，這些進(jìn)展最終將造福數(shù)十億人的生活，產(chǎn)生比以往任何時(shí)候都更大的影響。
在這篇文章中，Jeff Dean重點(diǎn)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)有望產(chǎn)生此等影響的五個(gè)方面。對(duì)于每個(gè)方面，他將討論谷歌相關(guān)的研究（主要是從2021年開始），以及在未來(lái)幾年可能出現(xiàn)的新方向和新進(jìn)展。
這些方面分別涉及了算法、效率、個(gè)性化、全球化、責(zé)任：
算法上，基于Transformer的大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型如今無(wú)論是在單模態(tài)數(shù)據(jù)的多任務(wù)通用性，以及多模態(tài)聯(lián)合學(xué)習(xí)的能力上，都證明了自身的潛力；
效率上，從算力到模型訓(xùn)練、部署，機(jī)器學(xué)習(xí)流水線的效率正不斷提高；在模型運(yùn)行方面，編譯器的改進(jìn)和加速器軟件的優(yōu)化也提供了很大的助力；而架構(gòu)方面的改進(jìn)，自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)的持續(xù)發(fā)展、以及對(duì)模型稀疏性的利用，都讓算法研究發(fā)展迅速；
個(gè)性化上，機(jī)器學(xué)習(xí)不僅應(yīng)用變得更加廣泛，而且越來(lái)越人性化，在功能上越來(lái)越自然，同時(shí)也更加注重隱私保護(hù)；
全球化上，機(jī)器學(xué)習(xí)的影響范圍越來(lái)越廣闊，涉及到愈發(fā)多樣的全球性問(wèn)題，比如科學(xué)研究、醫(yī)療、芯片設(shè)計(jì)、碳排放緩解、自然災(zāi)害預(yù)防等等；
最后是責(zé)任，盡管飽受爭(zhēng)議，但Jeff Dean表示，谷歌對(duì)于AI公平性非常重視，并從數(shù)據(jù)、算法、傳播分析、模型可解釋性、文化差異性研究以及大模型隱私保護(hù)上做了大量工作。
可以說(shuō)，機(jī)器學(xué)習(xí)正在并且也將變得無(wú)處不在。
以下是關(guān)于五大趨勢(shì)總結(jié)的編譯介紹：
如今，研究者正在訓(xùn)練比以往任何時(shí)候都更大型、功能更強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。
例如，僅在最近幾年，語(yǔ)言領(lǐng)域的模型規(guī)模已經(jīng)從在數(shù)百億個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)記上訓(xùn)練的數(shù)十億個(gè)參數(shù)（例如，11B 參數(shù)的T5模型），發(fā)展到在數(shù)萬(wàn)億個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)記上訓(xùn)練的數(shù)百億參數(shù)（例如，密集模型如 OpenAI 的 175B 參數(shù) GPT-3 模型和 DeepMind 的 280B 參數(shù) Gopher 模型，以及稀疏模型如 Google 的 600B 參數(shù) GShard 模型和 1.2T 參數(shù) GLaM 模型）。
數(shù)據(jù)集和模型規(guī)模的增強(qiáng)，使得各種語(yǔ)言任務(wù)的準(zhǔn)確性顯著提高，正如標(biāo)注自然語(yǔ)言處理（NLP）基準(zhǔn)任務(wù)的全面提升所表明的那樣（例如對(duì)語(yǔ)言模型和機(jī)器翻譯模型的神經(jīng)標(biāo)度定律的研究所預(yù)測(cè)的）。
上述大部分高級(jí)模型都專注于書面語(yǔ)言的單一但不可或缺的模態(tài)數(shù)據(jù)，并在語(yǔ)言理解基準(zhǔn)和開放式對(duì)話能力方面展現(xiàn)出最先進(jìn)的成果，甚至在一個(gè)領(lǐng)域中的多個(gè)任務(wù)中也具有如此表現(xiàn)。
此外，它們還表現(xiàn)出令人興奮的能力，可以在訓(xùn)練數(shù)據(jù)相對(duì)較少的情況下推廣到新的語(yǔ)言任務(wù)。某些情況下，新任務(wù)的訓(xùn)練示例很少甚至沒(méi)有。例如，NLP中的改進(jìn)長(zhǎng)問(wèn)答、零標(biāo)簽學(xué)習(xí)任務(wù)。谷歌還提出了LaMDA模型，該模型展示了一種復(fù)雜的能力，可以進(jìn)行開放式對(duì)話，在多輪對(duì)話中保持重要的上下文聯(lián)系。
圖注：“與 LaMDA 的對(duì)話，通過(guò)預(yù)設(shè)真實(shí)提示模仿威德爾海豹，“嗨，我是威德爾海豹。你有什么問(wèn)題要問(wèn)我嗎？” 該模型在很大程度上保持了對(duì)話的角色特征。
Transformer 模型也對(duì)圖像、視頻和語(yǔ)音模型產(chǎn)生了重大影響，正如視覺(jué) Transformer 模型的標(biāo)度定律所預(yù)測(cè)的那樣，所有這些任務(wù)也都從規(guī)模擴(kuò)展中受益匪淺。
用于圖像識(shí)別和視頻分類的Transformer在許多基準(zhǔn)上都取得了最先進(jìn)的成果，谷歌還證明，與單獨(dú)使用視頻數(shù)據(jù)相比，在圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)上的聯(lián)合訓(xùn)練模型可以提高視頻任務(wù)的性能。
他們?yōu)閳D像和視頻Transformer開發(fā)了稀疏的軸向注意力機(jī)制，可以更有效地使用計(jì)算，為視覺(jué)Transformer模型找到更好的標(biāo)記圖像方法，并通過(guò)檢查視覺(jué)Transformer方法與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的操作方式相比，提高了對(duì)視覺(jué)Transformer方法的理解。將Transformer模型與卷積運(yùn)算相結(jié)合，已在視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)中顯示出顯著的優(yōu)越性。
生成模型的輸出質(zhì)量也在大幅提高，這在圖像的生成模型中表現(xiàn)得最為明顯。
例如，最近的模型已經(jīng)證明，僅給定一個(gè)類別（例如，輸入“愛(ài)爾蘭塞特”或“有軌電車”）就可以創(chuàng)建逼真的圖像，也可以通過(guò)修復(fù)低分辨率圖像，以創(chuàng)建一個(gè)看起來(lái)自然的高分辨率匹配圖像（例如，輸入“計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)！”），甚至可以創(chuàng)建任意大小的自然場(chǎng)景。
另一個(gè)例子是，可以將圖像轉(zhuǎn)換為一系列離散標(biāo)記，然后可以使用自回歸生成模型以高保真度合成這些標(biāo)記。
圖注：級(jí)聯(lián)擴(kuò)散模型的示例，該模型從給定類別生成新圖像，然后將其用作種子來(lái)創(chuàng)建高分辨率示例：第一個(gè)模型生成低分辨率圖像，其余模型對(duì)最終高分辨率圖像執(zhí)行上采樣。
SR3 超分辨率擴(kuò)散模型將低分辨率圖像作為輸入，并從純?cè)肼晿?gòu)建相應(yīng)的高分辨率圖像。
視頻鏈接：https://iterative-refinement.github.io/assets/cascade_movie2_mp4.mp4
這些強(qiáng)大的功能背后，亦伴隨著巨大的責(zé)任，因此谷歌表示會(huì)根據(jù)其 AI 原則仔細(xì)審查此類模型的潛在應(yīng)用。
除了先進(jìn)的單模態(tài)模型外，谷歌也開始注意大規(guī)模多模態(tài)模型的潛力。這些是迄今為止最先進(jìn)的模型，因?yàn)樗鼈兛梢越邮芏喾N輸入模態(tài)（例如，語(yǔ)言、圖像、語(yǔ)音、視頻），并可以生成多種輸出模態(tài)，例如，基于描述性的句子或段落生成圖像，或用人類語(yǔ)言描述圖像的視覺(jué)內(nèi)容。
這是一個(gè)令人興奮的方向，因?yàn)楹同F(xiàn)實(shí)世界一樣，在多模態(tài)數(shù)據(jù)中有些東西更容易學(xué)習(xí)（例如，閱讀并觀看演示比僅僅閱讀更有用）。因此，將圖像和文本配對(duì)可以幫助完成多語(yǔ)言檢索任務(wù)。并且，更好地理解如何將文本和圖像輸入配對(duì)，可以為圖像描述任務(wù)帶來(lái)更好的結(jié)果。
同樣，對(duì)視覺(jué)和文本數(shù)據(jù)的聯(lián)合訓(xùn)練也有助于提高視覺(jué)分類任務(wù)的準(zhǔn)確性和魯棒性，而對(duì)圖像、視頻和音頻任務(wù)的聯(lián)合訓(xùn)練可以提高所有模態(tài)的泛化性能。
此外還有一些跡象表明，自然語(yǔ)言可以用作圖像處理的輸入，告訴機(jī)器人如何與世界交互并控制其他軟件系統(tǒng)，這預(yù)示著用戶界面的開發(fā)方式可能會(huì)發(fā)生變化。這些模型處理的模態(tài)將包括語(yǔ)音、聲音、圖像、視頻和語(yǔ)言，甚至可能擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、知識(shí)圖譜和時(shí)間序列數(shù)據(jù)。
圖注：基于視覺(jué)的機(jī)器人操作系統(tǒng)示例，該系統(tǒng)能夠泛化到新任務(wù)。左圖：機(jī)器人正在執(zhí)行一項(xiàng)基于“將葡萄放入陶瓷碗中”指令的任務(wù)，而模型并未接受該特定任務(wù)的訓(xùn)練。右圖：類似左圖，但任務(wù)描述為“將瓶子放入托盤”。
這些模型通常使用自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練，其中模型從未經(jīng)標(biāo)記的“原始”數(shù)據(jù)的觀察中學(xué)習(xí)，例如 GPT-3 和 GLaM 中使用的語(yǔ)言模型、自監(jiān)督語(yǔ)音模型 BigSSL 、視覺(jué)對(duì)比學(xué)習(xí)模型 SimCLR 和多模態(tài)對(duì)比模型 VATT。自監(jiān)督學(xué)習(xí)讓大型語(yǔ)音識(shí)別模型得以達(dá)到之前的語(yǔ)音搜索自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別 (ASR) 基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，同時(shí)僅使用 3% 的帶注釋訓(xùn)練數(shù)據(jù)。
這些趨勢(shì)令人興奮，因?yàn)?/span>它們可以大大減少為特定任務(wù)啟用機(jī)器學(xué)習(xí)所需的工作量，并且由于使得在更具代表性的數(shù)據(jù)上訓(xùn)練模型變得更容易，這些數(shù)據(jù)更好地反映了不同的亞群、地區(qū)、語(yǔ)言，或其他重要的表示維度。
所有這些趨勢(shì)都指向訓(xùn)練功能強(qiáng)大的通用模型的方向，這些模型可以處理多種數(shù)據(jù)模式，并解決成千上萬(wàn)個(gè)任務(wù)。通過(guò)構(gòu)建稀疏性模型，使得模型中唯一被給定任務(wù)激活的部分，僅有那些為其優(yōu)化過(guò)的部分，從而這些多模態(tài)模型可以變得高效。
Jeff Dean表示，在接下來(lái)的幾年里，谷歌將基于Pathways架構(gòu)追求這一愿景。
Pathways：谷歌正在努力的統(tǒng)一模型，可以泛化至數(shù)百萬(wàn)個(gè)任務(wù)。
由于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法和元學(xué)習(xí)研究的進(jìn)步，機(jī)器學(xué)習(xí)的效率得到持續(xù)提升，推動(dòng)著機(jī)器學(xué)習(xí)模型的功能變得更加強(qiáng)大。
ML 流水線涉及許多方面，從訓(xùn)練和執(zhí)行模型的硬件，到 ML 架構(gòu)的各個(gè)組件，都可以進(jìn)行效率優(yōu)化，同時(shí)保持或提高整體性能。
與前幾年相比，這些線程中的每一個(gè)都可以以顯著的乘法因子提高效率，并且綜合起來(lái)可以將計(jì)算成本（包括二氧化碳當(dāng)量排放量）降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
更高的效率促成了許多關(guān)鍵的進(jìn)步，這些進(jìn)步將繼續(xù)顯著提高機(jī)器學(xué)習(xí)的效率，使更大、更高質(zhì)量的機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠以高效的方式開發(fā)，并進(jìn)一步使訪問(wèn)公平化。
ML 加速器性能的持續(xù)改進(jìn)
每一代 ML 加速器都在前幾代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使每個(gè)芯片的性能更快，并且通常可以擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模。
去年，谷歌發(fā)布了其TPUv4 系統(tǒng)，這是谷歌的第四代張量處理單元，它在 MLPerf 基準(zhǔn)測(cè)試中比 TPUv3 提升了 2.7 倍。TPUv4 芯片的峰值性能是 TPUv3 芯片的約 2 倍，每個(gè) TPUv4 pod 的規(guī)模為 4096 個(gè)芯片（是 TPUv3 pod 的 4 倍），每個(gè) pod 的性能約為 1.1 exaflops（而每個(gè) TPUv3 pod約為 100 petaflops）。擁有大量芯片并通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接在一起的 Pod 可以提高大型模型的效率。
此外，移動(dòng)設(shè)備上的機(jī)器學(xué)習(xí)能力也在顯著提高。Pixel 6 手機(jī)采用全新的 Google Tensor 處理器，該處理器集成了強(qiáng)大的 ML 加速器，以更好地支持重要的設(shè)備功能。
左：TPUv4 主板；中：TPUv4 pod的一部分；右圖：在 Pixel 6 手機(jī)中的 Google Tensor 芯片。
Jeff Dean表示，谷歌使用 ML 來(lái)加速各種計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)計(jì)也帶來(lái)了好處，特別是在生產(chǎn)更好的 ML 加速器方面。
ML 編譯和 ML 工作負(fù)載優(yōu)化的持續(xù)改進(jìn)
即使硬件不變，編譯器的改進(jìn)和機(jī)器學(xué)習(xí)加速器系統(tǒng)軟件的其他優(yōu)化也可以顯著提高效率。
例如，“A Flexible Approach to Autotuning Multi-pass Machine Learning Compilers”展示了如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)執(zhí)行編譯設(shè)置的自動(dòng)調(diào)整，用于同一底層硬件上的一套 ML 程序，以獲得 5-15% 的全面性能提升（有時(shí)甚至高達(dá)2.4 倍改進(jìn)）。
此外，GSPMD 描述了一種基于 XLA 編譯器的自動(dòng)并行化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)擴(kuò)展到加速器的內(nèi)存容量之外，并已應(yīng)用于許多大型模型，例如 GShard-M4、LaMDA、BigSSL、ViT、MetNet -2 和 GLaM，在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了最先進(jìn)的成果。
圖注：通過(guò)在 150 個(gè) ML 模型上使用基于 ML 的編譯器自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)端到端模型加速。圖中包括實(shí)現(xiàn) 5% 或更多改進(jìn)的模型。條形顏色代表優(yōu)化不同模型組件的相對(duì)改進(jìn)。
人類創(chuàng)造的更高效模型架構(gòu)
模型架構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)大大減少了為許多問(wèn)題實(shí)現(xiàn)給定精度水平所需的計(jì)算量。
例如，谷歌在 2017 年開發(fā)的 Transformer 架構(gòu)能夠提高在多個(gè) NLP 基準(zhǔn)上的當(dāng)前最佳水平，同時(shí)使用比其他各種常用方法少 10 到 100 倍的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果，例如 LSTM 和其他循環(huán)架構(gòu)。
同樣，盡管使用的計(jì)算量比卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)少 4 到 10 倍，但視覺(jué) Transformer 能夠在許多不同的圖像分類任務(wù)上顯示出改善的最先進(jìn)結(jié)果。
機(jī)器驅(qū)動(dòng)的更高效模型架構(gòu)的發(fā)現(xiàn)
神經(jīng)架構(gòu)搜索（NAS）可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)給定問(wèn)題域更有效的新 ML 架構(gòu)。NAS 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它可以大大減少算法開發(fā)所需的工作量，因?yàn)?NAS 只需要對(duì)每個(gè)搜索空間和問(wèn)題域組合進(jìn)行單次檢驗(yàn)。
此外，雖然執(zhí)行 NAS 的初始工作在計(jì)算上可能很昂貴，但由此產(chǎn)生的模型可以大大減少下游研究和生產(chǎn)設(shè)置中的計(jì)算，從而大大降低總體資源需求。
例如，發(fā)現(xiàn) Evolved Transformer 的單次搜索僅產(chǎn)生了 3.2 噸二氧化碳當(dāng)量（遠(yuǎn)低于其他地方報(bào)告的 284 噸二氧化碳當(dāng)量），但產(chǎn)生了一個(gè)比普通的 Transformer 模型效率高 15-20%的模型。
最近，谷歌利用 NAS 發(fā)現(xiàn)了一種更高效的架構(gòu)，稱為 Primer（也已開源），與普通的 Transformer 模型相比，它可以將訓(xùn)練成本降低 4 倍。通過(guò)這種方式，NAS 搜索的發(fā)現(xiàn)成本通?？梢詮氖褂冒l(fā)現(xiàn)的更有效的模型架構(gòu)中收回，即使它們僅應(yīng)用于少數(shù)下游任務(wù)（NAS 結(jié)果可被重復(fù)使用數(shù)千次）。
NAS還被用于在視覺(jué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)更有效的模型。EfficientNetV2 模型架構(gòu)是神經(jīng)架構(gòu)搜索的結(jié)果，它聯(lián)合優(yōu)化了模型精度、模型大小和訓(xùn)練速度。在 ImageNet 基準(zhǔn)測(cè)試中，EfficientNetV2 將訓(xùn)練速度提高了 5 到 11 倍，同時(shí)與以前最先進(jìn)的模型相比，模型參數(shù)大大減少。
CoAtNet 模型架構(gòu)是通過(guò)架構(gòu)搜索發(fā)現(xiàn)的，結(jié)合了視覺(jué) Transformer 和卷積網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)混合模型架構(gòu)，其訓(xùn)練速度比視覺(jué) Transformer 快 4 倍，并實(shí)現(xiàn)了新的 ImageNet 最先進(jìn)結(jié)果。
圖注：EfficientNetV2 的訓(xùn)練效率比之前的 ImageNet 分類模型要好得多。
廣泛使用搜索來(lái)幫助改進(jìn) ML 模型架構(gòu)和算法，包括使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)和進(jìn)化技術(shù)，激發(fā)了其他研究人員將這種方法應(yīng)用于不同領(lǐng)域。
除了模型架構(gòu)之外，自動(dòng)搜索還可用于尋找新的、更有效的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，建立在早期的 AutoML-Zero 工作的基礎(chǔ)上。
稀疏性的利用
稀疏性模型具有非常大的容量，但對(duì)于給定的數(shù)據(jù)（示例或 token ），只有模型的某些部分被激活，這是另一個(gè)可以大大提高效率的重要算法進(jìn)步。
2017 年，谷歌引入了稀疏門控混合專家層，該層在各種翻譯基準(zhǔn)上展示了更好的結(jié)果，同時(shí)使用的計(jì)算量比以前最先進(jìn)的密集 LSTM 模型少 10 倍。
最近，Switch Transformers 將混合專家風(fēng)格的架構(gòu)與 Transformer 模型架構(gòu)相結(jié)合，與密集的 T5-Base Transformer 模型相比，訓(xùn)練時(shí)間和效率提高了 7 倍。
GLaM 模型表明，Transformer 和混合專家風(fēng)格的層可以結(jié)合起來(lái)生成一個(gè)模型，該模型在 29 個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試中平均超過(guò) GPT-3 模型的準(zhǔn)確性，而訓(xùn)練的能耗減少了 3 倍，推理的計(jì)算量減少了 2 倍。稀疏性的概念也可以用于降低Transformer 架構(gòu)中注意力機(jī)制的成本。
圖注：BigBird 稀疏注意力模型由關(guān)注輸入序列所有部分的全局標(biāo)記、局部標(biāo)記和一組隨機(jī)標(biāo)記組成。從理論上講，這可以解釋為在 Watts-Strogatz 圖上添加一些全局標(biāo)記。
在模型中使用稀疏性，顯然是一種在計(jì)算效率方面具有非常高潛力的方法。Jeff Dean 表示，谷歌只是在這個(gè)方向上觸及了皮毛。
與使用 P100 GPU 訓(xùn)練的基線 Transformer 模型相比，這些提高效率的方法中的每一種都可以組合在一起，可將高效數(shù)據(jù)中心訓(xùn)練的等效精度語(yǔ)言模型的能源效率提高約 100 倍，產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少約 650 倍。
Jeff Dean表示，其團(tuán)隊(duì)很快就會(huì)發(fā)表更為詳細(xì)的博客文章分析 NLP 模型的碳排放趨勢(shì)。
ML 和諸如手機(jī)上的Tensor 處理器等硅基硬件的創(chuàng)新，使得移動(dòng)設(shè)備可以更持續(xù)有效地感知周圍環(huán)境，而這將為用戶帶來(lái)一系列新的體驗(yàn)。
他認(rèn)為這種進(jìn)步不僅提高了其可及性、易用性，而且提升了計(jì)算的能力，這對(duì)改善移動(dòng)攝影、實(shí)時(shí)翻譯等功能也至關(guān)重要。值得注意的是，這種最新的技術(shù)在為用戶提供更加個(gè)性化體驗(yàn)的同時(shí)，還加強(qiáng)了隱私保障措施。
目前，使用手機(jī)攝像來(lái)記錄日常生活或進(jìn)行藝術(shù)表達(dá)的熱度空前。Jeff Dean 認(rèn)為，ML 在計(jì)算攝影中的巧妙運(yùn)用，可以不斷促進(jìn)手機(jī)相機(jī)功能的提升，使其操作起來(lái)更加容易，也可以提高拍攝性能，產(chǎn)生更高質(zhì)量的圖像。
比如，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的HDR+，在非常低的光線下就可以很好地處理人像，使相機(jī)更具包容性，并且適用于所有膚色，可以拍攝出能夠達(dá)到攝影師預(yù)想視覺(jué)效果并且更符合主題的照片。
不僅如此，基于 ML 的 Google Photos 工具，像電影照片、降噪、模糊以及魔術(shù)橡皮擦等，可以進(jìn)一步完善照片。
圖注：HDR+ 從一連串全分辨率原始圖像開始，每個(gè)圖像都有相同的曝光不足（左）。融合后的圖像減少了噪點(diǎn)并增加了動(dòng)態(tài)范圍，從而獲得了更高質(zhì)量的最終圖像（右）。
除了使用手機(jī)進(jìn)行創(chuàng)作外，Jeff Dean 還列舉了人們依靠手機(jī)進(jìn)行跨語(yǔ)言和跨模式的實(shí)時(shí)溝通的例子，比如在消息應(yīng)用程序中使用實(shí)時(shí)翻譯，在通話交流中使用實(shí)時(shí)字幕等。
得益于自監(jiān)督學(xué)習(xí)和噪聲學(xué)生訓(xùn)練 （Noisy Student Training）等技術(shù)的進(jìn)步，語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確率在重音、嘈雜環(huán)境或語(yǔ)音重疊和多語(yǔ)言環(huán)境下，都有明顯提高?；趶奈谋镜秸Z(yǔ)音合成方面的進(jìn)展，越來(lái)越多的平臺(tái)推出了朗讀技術(shù)，允許人們用聽的方式獲取網(wǎng)頁(yè)或文章內(nèi)容，使信息更容易跨越模態(tài)和語(yǔ)言的障礙。
穩(wěn)定、實(shí)時(shí)生成的翻譯以及高質(zhì)量、穩(wěn)定、有保障的直接語(yǔ)音翻譯，為使用不同語(yǔ)言交流的人們提供了更好的用戶體驗(yàn)，機(jī)器翻譯中的實(shí)時(shí)語(yǔ)音翻譯功能也已得到極大改善。
將ML與傳統(tǒng)的編解碼方法相結(jié)合的新工作，可以促使更高保真度的語(yǔ)音、音樂(lè)或其它聲音以更低的比特率進(jìn)行交流。另一方面，Jeff Dean 還表示像自動(dòng)呼叫或者與 ML 智能體進(jìn)行的一些日常互動(dòng)性的功能變得越來(lái)越自然。
即使是用戶可能會(huì)經(jīng)常進(jìn)行的，像智能文本選擇等這樣的簡(jiǎn)單任務(wù)也得到了改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇電話號(hào)碼或地址等，能夠方便復(fù)制粘貼，或者在手機(jī)上輸入時(shí)的語(yǔ)法糾正。
此外，“屏幕注意（Screen Attention ）”可防止手機(jī)屏幕在被注視時(shí)變暗，并且注視識(shí)別（Gaze Recognition）的改進(jìn)為可訪問(wèn)性和改善健康狀況開辟了新的用例。ML 也正在啟用新的方法來(lái)保障人們和社區(qū)的安全。例如，"可疑信息警報(bào) （ Suspicious Message Alerts ）" 對(duì)可能存在的網(wǎng)絡(luò)釣魚攻擊發(fā)出警告、"安全路線（Safer Routing ） " 可以檢測(cè)到急剎車事件以及提供建議替代路線。
圖注：最近的工作證明了注視識(shí)別可作為精神疲勞的重要生物標(biāo)志物。
然而，這些新功能的開發(fā)離不開數(shù)據(jù)支撐，Jeff Dean 表示鑒于其中潛在的敏感性問(wèn)題，將其設(shè)置為在默認(rèn)狀態(tài)下私有是非常有必要的。
其中的很多功能是在安卓私有的計(jì)算核心內(nèi)運(yùn)行，提供了一個(gè)與操作系統(tǒng)其它部分隔離的開源安全環(huán)境。安卓系統(tǒng)可以確保在私有計(jì)算核心中處理的數(shù)據(jù)不會(huì)在用戶不知情的情況下分享給任何應(yīng)用程序。安卓系統(tǒng)還防止私有計(jì)算核心內(nèi)的任何功能直接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。
相反，這些功能通過(guò)一小套開源 API 與私有計(jì)算服務(wù)進(jìn)行通信，私有計(jì)算服務(wù)剝離了識(shí)別信息，并利用了包括聯(lián)邦學(xué)習(xí)、聯(lián)邦分析和私人信息檢索在內(nèi)的隱私技術(shù)，確保在學(xué)習(xí)的同時(shí)保護(hù)隱私。
圖注：聯(lián)邦重建是一種新穎的部分局部聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)，其中模型被劃分為全局和局部參數(shù)。對(duì)于每一輪聯(lián)邦重建訓(xùn)練：(1) 服務(wù)器將當(dāng)前全局參數(shù) g 發(fā)送給每個(gè)用戶 i；(2) 每個(gè)用戶 i 凍結(jié) g 并重建他們的局部參數(shù) l_i；(3) 每個(gè)用戶i凍結(jié) l_i 并更新 g 產(chǎn)生 g_i ；(4) 對(duì)用戶的 g_i 取平均值，生成下一輪的全局參數(shù)。
在 Jeff Dean 看來(lái)，這些技術(shù)對(duì)于發(fā)展下一代計(jì)算和交互模式至關(guān)重要。個(gè)人或公共設(shè)備可以在不侵犯隱私的情況下，從集體模型中學(xué)習(xí)，并推動(dòng)模型訓(xùn)練的進(jìn)步。
用聯(lián)合無(wú)監(jiān)督的方法來(lái)學(xué)習(xí)上述的通用模型，并針對(duì)特定的任務(wù)或環(huán)境進(jìn)行微調(diào)，可以產(chǎn)生越來(lái)越多的智能系統(tǒng)，這些系統(tǒng)更像是一個(gè)社會(huì)實(shí)體而不是機(jī)器，與之互動(dòng)要更為直觀。只有從邊緣到數(shù)據(jù)中心，深入改變技術(shù)堆棧（technology stacks)，使其適當(dāng)支持神經(jīng)計(jì)算，才有可能廣泛而公平地使用這些智能接口。
近年來(lái)，谷歌看到 ML 在基礎(chǔ)科學(xué)中的影響越來(lái)越大，從物理學(xué)到生物學(xué)，在許多相關(guān)領(lǐng)域（例如可再生能源和醫(yī)學(xué)）中都具有令人興奮的實(shí)際應(yīng)用。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型已被部署用來(lái)解決個(gè)人和全球范圍內(nèi)的問(wèn)題，它們可以協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行日常工作，擴(kuò)大人們對(duì)神經(jīng)生理學(xué)的理解，還可以提供更好的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果和簡(jiǎn)化救災(zāi)工作。
通過(guò)發(fā)現(xiàn)減少碳排放和提高替代能源輸出的方法，其他類型的 ML 模型被證明在應(yīng)對(duì)氣候變化方面至關(guān)重要。
隨著 ML 變得更加健壯、完善和獲得更廣泛的訪問(wèn)，它在廣泛的現(xiàn)實(shí)世界領(lǐng)域中具有高影響力的應(yīng)用的潛力繼續(xù)擴(kuò)大，有助于解決研究人員面臨的一些最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大規(guī)模應(yīng)用以獲得新的洞察力
過(guò)去十年，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的進(jìn)步使計(jì)算機(jī)能夠用于不同科學(xué)領(lǐng)域的各種任務(wù)。比如，在神經(jīng)科學(xué)中，自動(dòng)重建技術(shù)可以從腦組織薄片的高分辨率電子顯微鏡圖像中恢復(fù)腦組織的神經(jīng)結(jié)締結(jié)構(gòu)。
前幾年，谷歌為果蠅、小鼠和鳴禽的大腦創(chuàng)建了此類資源。但在去年，他們與哈佛大學(xué)的 Lichtman 實(shí)驗(yàn)室合作，分析了以相同粒度成像和重建的多種物種的大腦組織樣本，并首次對(duì)人類皮層中的突觸連接進(jìn)行了大規(guī)模研究，該研究跨越了皮層所有層的多種細(xì)胞類型。
這項(xiàng)工作的目標(biāo)是獲得一種新的資源來(lái)幫助神經(jīng)科學(xué)家研究人類大腦的復(fù)雜性。例如，下圖顯示了成人大腦中約 860 億個(gè)神經(jīng)元中的 6 個(gè)神經(jīng)元。
圖注：來(lái)自人類皮層重建的單個(gè)人類枝形吊燈神經(jīng)元，以及與該細(xì)胞連接的一些錐體神經(jīng)元。
此外，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)還提供了強(qiáng)大的工具來(lái)應(yīng)對(duì)更大甚至全球范圍內(nèi)的挑戰(zhàn)。
例如，基于深度學(xué)習(xí)的天氣預(yù)報(bào)方法，該方法使用衛(wèi)星和雷達(dá)圖像作為輸入，結(jié)合其他大氣數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)達(dá) 12 小時(shí)的預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生比傳統(tǒng)的基于物理的模型更準(zhǔn)確的天氣和降水預(yù)報(bào)。與傳統(tǒng)方法相比，它們還可以更快地生成新的預(yù)測(cè)，這在極端天氣中非常重要。
圖注：2020 年 3 月 30 日，不同模型預(yù)測(cè)科羅拉多州丹佛市 0.2 毫米/小時(shí)降水量的比較。左圖：真實(shí)數(shù)據(jù)，來(lái)源（MRMS）。中間：MetNet-2 預(yù)測(cè)的概率圖。右圖：基于物理的 HREF 模型預(yù)測(cè)的概率圖。MetNet-2 能夠在預(yù)測(cè)中比 HREF 更早地預(yù)測(cè)風(fēng)暴的開始以及風(fēng)暴的起始位置，而 HREF 錯(cuò)過(guò)了起始位置，但很好地捕捉到了生長(zhǎng)階段。
準(zhǔn)確記錄建筑足跡對(duì)于人口估計(jì)和城市規(guī)劃等一系列應(yīng)用至關(guān)重要。在世界許多地方，包括非洲大部分地區(qū)，這些信息以前都是不可用的。
但新工作表明，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星圖像可以幫助識(shí)別大陸尺度的建筑邊界。這種方法的相關(guān)結(jié)果已在 Open Buildings 數(shù)據(jù)集中發(fā)布，這是一個(gè)新的開放訪問(wèn)數(shù)據(jù)資源，其中包含 5.16 億座建筑物的位置和足跡，覆蓋非洲大陸的大部分地區(qū)。
Jeff Dean 團(tuán)隊(duì)還在與世界糧食計(jì)劃署的合作中使用這個(gè)數(shù)據(jù)集，通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)在自然災(zāi)害后提供快速的損害評(píng)估。
在衛(wèi)星圖像中分割建筑物的示例。左：源圖像；中：語(yǔ)義分割，每個(gè)像素都分配了一個(gè)置信度分?jǐn)?shù)，表明它是建筑物還是非建筑物；右圖：實(shí)例分割，通過(guò)對(duì)連接組件進(jìn)行閾值化和分組獲得。
這些案例反映出的一個(gè)共同主題是，ML 模型能夠基于對(duì)可用視覺(jué)數(shù)據(jù)的分析，高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行專門的任務(wù)，支持高度相關(guān)的下游任務(wù)。
自動(dòng)化設(shè)計(jì)空間探索
另一種在多個(gè)領(lǐng)域取得成果的方法是，允許 ML 算法以自動(dòng)化方式探索和評(píng)估問(wèn)題的設(shè)計(jì)空間以尋找可能的解決方案。
比如在一個(gè)應(yīng)用程序中，基于 Transformer 的變分自動(dòng)編碼器學(xué)習(xí)創(chuàng)建美觀且有用的文檔布局，并且可以擴(kuò)展相同的方法來(lái)探索可能的家具布局。
另一種 ML 驅(qū)動(dòng)的方法自動(dòng)探索游戲規(guī)則的巨大設(shè)計(jì)空間，以提高游戲的可玩性和其他屬性，使人類游戲設(shè)計(jì)師能夠更快地創(chuàng)建令人愉快的游戲。
圖注：變分Transformer網(wǎng)絡(luò) (VTN) 模型的可視化，它能夠提取布局元素（段落、表格、圖像等）之間的有意義的關(guān)系，以生成逼真的合成文檔（例如，具有更好的對(duì)齊和邊距）。
其他 ML 算法已被用于評(píng)估 ML 加速器芯片本身的計(jì)算機(jī)架構(gòu)決策的設(shè)計(jì)空間。
谷歌還表明，ML 可用于為 ASIC 設(shè)計(jì)快速創(chuàng)建芯片布局，這些布局優(yōu)于人類專家生成的布局，并且可以在幾小時(shí)而不是幾周內(nèi)生成。這降低了芯片的固定工程成本，并降低了為不同應(yīng)用快速創(chuàng)建專用硬件的障礙。他們?cè)诩磳⑼瞥龅?TPU-v5 芯片的設(shè)計(jì)中成功地使用了這種方法。
這種探索性 ML 方法也已應(yīng)用于材料發(fā)現(xiàn)。在 Google Research 和加州理工學(xué)院的合作中，幾個(gè) ML 模型與改進(jìn)的噴墨打印機(jī)和定制的顯微鏡相結(jié)合，能夠快速搜索數(shù)十萬(wàn)種可能的材料，發(fā)現(xiàn)了 51 種以前未表征的三金屬氧化物材料，在電池技術(shù)和水電解等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
這些自動(dòng)化的設(shè)計(jì)空間探索方法可以幫助加速許多科學(xué)領(lǐng)域，特別是當(dāng)生成實(shí)驗(yàn)和評(píng)估結(jié)果的整個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)都可以以自動(dòng)化或大部分自動(dòng)化的方式完成時(shí)。Jeff Dean 表示，希望看到這種方法在未來(lái)幾年在更多領(lǐng)域中發(fā)揮良好的效果。
在健康領(lǐng)域的應(yīng)用
除了推進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)，機(jī)器學(xué)習(xí)還可以更廣泛地推動(dòng)醫(yī)學(xué)和人類健康的進(jìn)步。
利用計(jì)算機(jī)科學(xué)在健康方面并不是什么新鮮事——事實(shí)上，谷歌早期就開發(fā)軟件來(lái)幫助分析流行病學(xué)數(shù)據(jù)。但是機(jī)器學(xué)習(xí)打開了新的大門，帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)，也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
以基因組學(xué)領(lǐng)域?yàn)槔?。自基因組學(xué)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算一直很重要，但 ML 增加了新功能并推翻了舊范式。當(dāng)谷歌研究人員開始在這一領(lǐng)域工作時(shí)，許多專家認(rèn)為使用深度學(xué)習(xí)幫助從測(cè)序儀輸出推斷遺傳變異的想法是牽強(qiáng)附會(huì)的。
今天，這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法被認(rèn)為是最先進(jìn)的。但未來(lái)對(duì)于 ML 來(lái)說(shuō)將扮演更重要的角色——基因組學(xué)公司正在開發(fā)更準(zhǔn)確、更快的新測(cè)序儀器，但也帶來(lái)了新的推理挑戰(zhàn)。
谷歌發(fā)布的開源軟件 DeepConsensus 以及與 UCSC 合作的 PEPPER-DeepVariant 支持這些具有尖端信息學(xué)的新儀器。
圖注：DeepConsensus 的 Transformer 架構(gòu)示意圖，可糾正測(cè)序錯(cuò)誤以提高產(chǎn)量和準(zhǔn)確性。
除了處理測(cè)序儀數(shù)據(jù)之外，還有其他機(jī)會(huì)使用 ML 來(lái)加速研究人員將基因組信息用于個(gè)性化健康。廣泛表型和測(cè)序個(gè)體的大型生物庫(kù)可以徹底改變?nèi)藗兝斫夂凸芾砑膊∵z傳易感性的方式。
Jeff Dean 等人基于 ML 的表型分析方法提高了將大型成像和文本數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為可用于遺傳關(guān)聯(lián)研究的表型的可擴(kuò)展性，他們的 DeepNull 方法更好地利用大型表型數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳發(fā)現(xiàn)，并且已經(jīng)開源。
圖注：生成解剖和疾病特征的大規(guī)模量化以與生物庫(kù)中的基因組數(shù)據(jù)相結(jié)合的過(guò)程。
正如 ML 幫助研究人員看到基因組數(shù)據(jù)的隱藏特征一樣，它也可以幫助發(fā)現(xiàn)新信息并從其他健康數(shù)據(jù)類型中收集新見解。疾病診斷通常是關(guān)于識(shí)別模式、量化相關(guān)性或識(shí)別更大類別的新實(shí)例——這些都是 ML 擅長(zhǎng)的任務(wù)。
谷歌研究人員已經(jīng)使用 ML 解決了廣泛此類問(wèn)題，但也許這些問(wèn)題都沒(méi)有比 ML 在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用更進(jìn)一步。
事實(shí)上，谷歌 2016 年的論文描述了深度學(xué)習(xí)在糖尿病性視網(wǎng)膜病變篩查中的應(yīng)用，被美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志 (JAMA) 的編輯選為十年來(lái)最具影響力的 10 篇論文之一——不僅僅是機(jī)器學(xué)習(xí)和健康方面最有影響力的論文，甚至是整個(gè)十年中最具影響力的 JAMA 論文。
Jeff Dean 表示，其團(tuán)隊(duì)成員希望看到這種相同模式的輔助 ML 系統(tǒng)被部署用于改善乳腺癌篩查、檢測(cè)肺癌、加速癌癥放射治療、標(biāo)記異常 X 射線和分期前列腺癌活檢。
ML 輔助結(jié)腸鏡檢查程序是更高階的有趣例子。結(jié)腸鏡檢查不僅用于診斷結(jié)腸癌——在手術(shù)過(guò)程中切除息肉是阻止疾病進(jìn)展和預(yù)防嚴(yán)重疾病的重要部分。在這個(gè)領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)證明 ML 可以幫助檢測(cè)難以捉摸的息肉，并且可以增加質(zhì)量保證的新維度，例如通過(guò)應(yīng)用同步定位和映射技術(shù)進(jìn)行覆蓋映射。
通過(guò)與耶路撒冷的 Shaare Zedek 醫(yī)療中心合作，谷歌展示了這些系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)工作，在每次手術(shù)中平均檢測(cè)到一個(gè)原本會(huì)被漏掉的息肉，每次手術(shù)的誤報(bào)少于四個(gè)。
圖注：胸部 X 光片 (CXR) 的真假陽(yáng)性樣本，以及 (A) 一般異常、(B) 結(jié)核病和 (C) COVID-19 的真假陰性結(jié)果。在每個(gè) CXR 上，紅色輪廓表示模型重點(diǎn)識(shí)別異常的區(qū)域（即類激活圖），黃色輪廓表示放射科醫(yī)生識(shí)別的感興趣區(qū)域。
另一個(gè)醫(yī)療保健計(jì)劃 Care Studio 使用最先進(jìn)的 ML 和先進(jìn)的 NLP 技術(shù)來(lái)分析結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和醫(yī)療記錄，在正確的時(shí)間向臨床醫(yī)生提供最相關(guān)的信息——最終幫助他們提供更主動(dòng)和準(zhǔn)確的護(hù)理。
盡管 ML 可能對(duì)擴(kuò)大臨床環(huán)境的可及性和提高準(zhǔn)確性很重要，但一個(gè)同樣重要的新趨勢(shì)正在出現(xiàn)：ML 應(yīng)用于幫助人們提高日常健康和福祉。
我們的日常設(shè)備具有強(qiáng)大的傳感器，可以幫助使健康指標(biāo)和信息民主化，以便人們可以就自己的健康做出更明智的決定。
智能手機(jī)攝像頭已經(jīng)可以評(píng)估心率和呼吸頻率以幫助用戶，而無(wú)需額外硬件的發(fā)布，以及支持非接觸式睡眠感應(yīng)，并讓用戶更好地了解他們的夜間健康狀況的設(shè)備。
一方面，個(gè)人可以在自己的 ASR 系統(tǒng)中顯著提高無(wú)序語(yǔ)音的語(yǔ)音識(shí)別質(zhì)量，另一方面，還可以使用 ML 幫助重建有語(yǔ)音障礙的人的聲音。支持機(jī)器學(xué)習(xí)的智能手機(jī)甚至可以幫助人們更好地研究新出現(xiàn)的皮膚狀況或幫助視力有限的人慢跑。
圖注：用于非接觸式睡眠感應(yīng)的自定義 ML 模型有效地處理連續(xù)的 3D 雷達(dá)張量流（總結(jié)一系列距離、頻率和時(shí)間的活動(dòng)），以自動(dòng)計(jì)算用戶清醒或睡著的可能性的概率。
機(jī)器學(xué)習(xí)在氣候危機(jī)上的應(yīng)用
另一個(gè)最重要的領(lǐng)域是氣候變化，這對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一個(gè)極其緊迫的威脅。
因此，人們需要共同努力，扭轉(zhuǎn)有害排放物的增長(zhǎng)曲線，以確保安全和繁榮的未來(lái)。關(guān)于不同選擇對(duì)氣候帶來(lái)的影響的信息可以幫助人類以多種不同方式應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。
為此，谷歌最近在 Google 地圖中推出了環(huán)保路線推薦應(yīng)用，他們估計(jì)這將每年減少約 100 萬(wàn)噸二氧化碳排放（相當(dāng)于從道路上減少 200,000 多輛汽車）。
此外，讓地圖產(chǎn)品更智能地了解電動(dòng)汽車有助于緩解里程焦慮，鼓勵(lì)人們改用無(wú)排放汽車。谷歌還與世界各地的多個(gè)城市合作，使用匯總的歷史交通數(shù)據(jù)來(lái)幫助改進(jìn)交通信號(hào)燈時(shí)間設(shè)置，在以色列和巴西進(jìn)行的一項(xiàng)早期試點(diǎn)研究表明，燃料消耗和延誤時(shí)間可以減少10-20%。
圖注：借助環(huán)保路線應(yīng)用，Google 地圖可以顯示快和省油的路線。
在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，聚變有望成為改變游戲規(guī)則的可再生能源。在與 TAE Technologies 的長(zhǎng)期合作中，谷歌使用 ML 通過(guò)建議設(shè)置 1000 多個(gè)相關(guān)控制參數(shù)來(lái)幫助維持其聚變反應(yīng)堆中的穩(wěn)定等離子體。
通過(guò)他們的合作，TAE 實(shí)現(xiàn)了諾曼反應(yīng)堆的主要目標(biāo)，這使研究人員離盈虧平衡聚變的目標(biāo)更近了一步。該機(jī)器在 30 毫秒內(nèi)保持 3000 萬(wàn)開爾文的穩(wěn)定等離子體，這是其系統(tǒng)可用功率的范圍。
谷歌也在關(guān)注自然災(zāi)害預(yù)防。去年，他們推出了由衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供支持的野火邊界圖，以幫助人們直接通過(guò)設(shè)備輕松了解火災(zāi)的大致規(guī)模和位置。
在此基礎(chǔ)上，研究人員現(xiàn)在將谷歌的所有野火信息整合在一起，并在全球范圍內(nèi)推出谷歌地圖上的新圖層。他們一直在應(yīng)用圖形優(yōu)化算法來(lái)幫助優(yōu)化火災(zāi)疏散路線。
2021 年，谷歌首次在實(shí)際的洪水預(yù)警系統(tǒng)中部署了基于 LSTM 的預(yù)測(cè)模型和新的模型（ Manifold inundation model）。
圖注：Google 地圖中的野火層可在緊急情況下為人們提供重要的最新信息。
ML 模型訓(xùn)練的碳排放是 ML 社區(qū)關(guān)注的問(wèn)題，谷歌已經(jīng)證明了關(guān)于模型架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心和 ML 加速器類型的選擇可以將訓(xùn)練的碳足跡減少約 100-1000 倍。
隨著機(jī)器學(xué)習(xí)被更廣泛地接受和應(yīng)用，繼續(xù)開發(fā)新技術(shù)可以推進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)更好地造福于社會(huì)。
基于在線產(chǎn)品中的用戶活動(dòng)的推薦系統(tǒng)就是其中一個(gè)。通常推薦系統(tǒng)是由多個(gè)不同組件構(gòu)成的，想要理解它們的公平屬性，需要了解各個(gè)組件以及它們組合時(shí)的運(yùn)行方式。
谷歌最新的研究提高了單個(gè)組件和整體推薦系統(tǒng)的公平性，幫助用戶更好地理解這些“關(guān)聯(lián)性”。而且，在從匿名用戶活動(dòng)中學(xué)習(xí)時(shí)，推薦系統(tǒng)以“中立”的方式學(xué)習(xí)至是十分必要的。從先前用戶的數(shù)據(jù)中直接學(xué)習(xí)到的“經(jīng)驗(yàn)”，可能帶有顯而易見的“偏見”。如果不糾正，那新用戶可能會(huì)頻繁收到不符合心意的產(chǎn)品推薦。
與推薦系統(tǒng)類似，上下文環(huán)境在機(jī)器翻譯中至關(guān)重要。大多數(shù)機(jī)器翻譯系統(tǒng)都是孤立地翻譯單個(gè)句子，沒(méi)參考額外的上下文內(nèi)容，無(wú)意間添加了性別、年齡等“歧視”屬性。谷歌去年公布了一個(gè)專門針對(duì)翻譯中性別偏見的數(shù)據(jù)集，用來(lái)研究基于維基百科傳記的翻譯偏見。
部署機(jī)器學(xué)習(xí)模型中另一個(gè)常見問(wèn)題是分布偏移（distributional shift）：如果訓(xùn)練模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布與輸入模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布不同，可能造成模型產(chǎn)生的結(jié)果不可預(yù)測(cè)。
谷歌利用 Deep Bootstrap 框架對(duì)比有限訓(xùn)練數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)世界與無(wú)限數(shù)據(jù)的“大同世界”。從而更好地理解模型的行為（真實(shí)中與理想中的世界），研究人員可以開發(fā)泛化性更強(qiáng)的模型，對(duì)固定訓(xùn)練數(shù)據(jù)集減少“偏見”。
雖然機(jī)器學(xué)習(xí)算法和模型開發(fā)一直備受關(guān)注，但數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)集管理類的工作相對(duì)較少。毋庸置疑，它們是不可忽視的領(lǐng)域，因?yàn)?/span>訓(xùn)練機(jī)器模型所依據(jù)的數(shù)據(jù)可能是下游應(yīng)用程序中公平性問(wèn)題的潛在來(lái)源。分析機(jī)器學(xué)習(xí)中此類數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)，將有助于識(shí)別項(xiàng)目周期中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重大影響的許多因素。
圖注：不同顏色的箭頭表示各種類型的數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)，每個(gè)級(jí)聯(lián)通常起源于上游，在ML開發(fā)過(guò)程中復(fù)合，并在下游呈現(xiàn)。
更好地理解數(shù)據(jù)是機(jī)器學(xué)習(xí)研究的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。谷歌開發(fā)了一類方法能夠深入了解特定訓(xùn)練示例對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的影響，因?yàn)殄e(cuò)誤標(biāo)記的數(shù)據(jù)或其他類似問(wèn)題對(duì)整體模型都有巨大負(fù)面影響。谷歌還構(gòu)建了Know Your Data 工具，用以幫助研究人員和從業(yè)者掌握數(shù)據(jù)集屬性，例如：如何使用 Know Your Data 工具來(lái)探索性別、年齡偏見等問(wèn)題。
圖注：Know Your Data 的數(shù)據(jù)顯示了描述吸引力的詞與性別詞之間的關(guān)系
了解基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集使用的動(dòng)態(tài)也十分必要，因?yàn)樗鼈冊(cè)跈C(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的中發(fā)揮著核心作用。盡管對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)集的研究變得更為普及，但整個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集使用動(dòng)態(tài)仍有神秘領(lǐng)域待探索。最近谷歌發(fā)表了第一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)集創(chuàng)建、采用和重用動(dòng)態(tài)的大規(guī)模實(shí)證分析。
創(chuàng)建更具包容性和更少偏見的公共數(shù)據(jù)集是可以改善機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的重要方法。2016 年，谷歌發(fā)布了 Open Images 數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含約 900 萬(wàn)張圖像，標(biāo)注了涵蓋數(shù)千個(gè)對(duì)象類別的圖像標(biāo)簽和 600 個(gè)類別的邊界框注釋。
去年，Jeff Dean團(tuán)隊(duì)在 Open Images Extended 集合中引入了更具包容性的人物注釋 (MIAP) 數(shù)據(jù)集。它有更完整的人類邊界框注釋，像感知性別表示和感知年齡范圍等都標(biāo)有更為公平的屬性。同時(shí)，研究人員還構(gòu)建了數(shù)據(jù)集搜索來(lái)幫助用戶發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)集。
處理各種形式的在線濫用行為，例如有害言論、仇恨言論和錯(cuò)誤信息等，能夠有效大規(guī)模檢測(cè)這類濫用形式，對(duì)確保平臺(tái)安全、避免通過(guò)以無(wú)人監(jiān)督的方式從在線話語(yǔ)中學(xué)習(xí)語(yǔ)言的此類負(fù)面特征的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。
谷歌通過(guò) Perspective API 工具進(jìn)行了工作，但大規(guī)模檢測(cè)有害性所涉及的細(xì)微差別仍然是高難度挑戰(zhàn)。Jeff Dean等引入了全面分類法來(lái)推理在線仇恨和騷擾的言論變化局面。
他們同樣研究了如何檢測(cè)在網(wǎng)絡(luò)中常被忽略的隱蔽有害形式，例如微歧視（microaggression）。研究了如何用傳統(tǒng)方法處理數(shù)據(jù)注釋中的歧視，這些主觀概念會(huì)邊緣化少數(shù)人的觀點(diǎn)，并提出了一種新的基于多任務(wù)框架的分類建模方法。
其他的潛在問(wèn)題是，機(jī)器學(xué)習(xí)語(yǔ)言理解和生成模型有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生缺少證據(jù)支持的結(jié)果。為了在問(wèn)答、總結(jié)和對(duì)話中解決這個(gè)問(wèn)題，谷歌開發(fā)了一個(gè)新框架衡量結(jié)果是否可以歸因于特定來(lái)源，并隨后發(fā)布了注釋指南，證明能夠可靠地用于評(píng)估候選模型。
模型交互式分析和調(diào)試仍然是機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。谷歌更新了語(yǔ)言可解釋性工具，用新功能和技術(shù)推進(jìn)這項(xiàng)工作，包括對(duì)圖像和表格數(shù)據(jù)的支持，以及內(nèi)置支持通過(guò)概念激活向量測(cè)試技術(shù)進(jìn)行公平性分析等。
機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的可解釋性和對(duì)模型決策過(guò)程的事后可重建性也是谷歌負(fù)責(zé)任的AI 愿景的關(guān)鍵部分。通過(guò)與 DeepMind 合作，研究人員在理解人類國(guó)際象棋概念在自對(duì)弈訓(xùn)練的 AlphaZero 國(guó)際象棋系統(tǒng)中的獲取上取得了進(jìn)展。
圖注：探索 AlphaZero 學(xué)習(xí)到的國(guó)際象棋概念。
谷歌也在將人工智能的視野拓寬到西方背景之外。他們最近的研究檢驗(yàn)了基于西方機(jī)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)算法公平框架的假設(shè)為何在非西方背景下不適應(yīng)。
他們正在多個(gè)國(guó)家積極開展調(diào)查研究，以了解人們對(duì)人工智能的看法和偏好。西方對(duì)算法公平性研究的框架往往只關(guān)注少數(shù)幾個(gè)屬性，因此關(guān)于非西方背景的偏見在很大程度上被忽視，在經(jīng)驗(yàn)上研究不足。
為了解決這一問(wèn)題，谷歌與密歇根大學(xué)合作，開發(fā)了一種弱監(jiān)督方法，在 NLP 模型中穩(wěn)健地檢測(cè)更廣泛的地理文化背景中的詞匯偏差，這些模型反映了人類在這些區(qū)域中對(duì)攻擊性和非攻擊性語(yǔ)言的判斷。
此外，他們還探索了 ML在南半球主導(dǎo)的環(huán)境中的應(yīng)用，包括為以農(nóng)戶為中心的機(jī)器學(xué)習(xí)研究提出建議。
基于社區(qū)的研究方法，也為谷歌設(shè)計(jì)數(shù)字福祉和解決機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的種族平等問(wèn)題提供了依據(jù)，包括提高對(duì)非裔美國(guó)人使用 ASR 系統(tǒng)體驗(yàn)的理解。
隨著ML模型在許多領(lǐng)域的應(yīng)用，私有信息的保護(hù)一直是研究的重點(diǎn)。沿著這些思路，谷歌最新研究解決了大型模型中的隱私問(wèn)題，既強(qiáng)調(diào)了從大型模型中提取訓(xùn)練數(shù)據(jù)，也指出了在大型模型中實(shí)現(xiàn)隱私的方法，例如差分私有BERT。
除了上面提到的聯(lián)邦學(xué)習(xí)和分析方面的工作之外，使用實(shí)用的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)從而增強(qiáng)研究人員的工具箱，確保差分隱私，比如私有聚類、私有個(gè)性化、私有矩陣完成、私有加權(quán)采樣、私有分位數(shù)、半空間的私有魯棒學(xué)習(xí)，以及普遍樣本高效的私有 PAC 學(xué)習(xí)，還有擴(kuò)展可針對(duì)不同應(yīng)用程序和模型定制的隱私概念集，像標(biāo)簽隱私和用戶與項(xiàng)目級(jí)別的隱私。
圖注：差分私有聚類算法的可視化圖示。
研究通常是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生影響的長(zhǎng)期歷程。幾年前發(fā)生的早期研究工作現(xiàn)在對(duì)谷歌乃至全世界都產(chǎn)生了巨大的影響。
對(duì)ML 硬件加速器以及軟件框架的投資已取得成果。ML 模型在許多不同產(chǎn)品和功能中越來(lái)越普遍，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)大功能和易于表達(dá)的特點(diǎn)簡(jiǎn)化了 ML 模型在性能關(guān)鍵環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)。
對(duì)創(chuàng)建 Seq2Seq、Inception、EfficientNet 和 Transformer 的模型架構(gòu)的研究或批歸一化和蒸餾等算法研究正在推動(dòng)語(yǔ)言理解、視覺(jué)、語(yǔ)音等領(lǐng)域的進(jìn)步。
更好的語(yǔ)言和視覺(jué)理解以及語(yǔ)音識(shí)別等基本功能或許將具有變革性，因此，這些類型的模型被廣泛部署用于解決許多產(chǎn)品中的各種問(wèn)題，包括搜索、助理、廣告、云、郵箱、地圖、視頻、和翻譯等等。
這些是機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)科學(xué)真正激動(dòng)人心的時(shí)刻。計(jì)算機(jī)通過(guò)語(yǔ)言、視覺(jué)和聲音理解和與周圍世界互動(dòng)的能力不斷提高，這為計(jì)算機(jī)如何幫助人們完成任意的任務(wù)開辟了全新的領(lǐng)域。這篇文章概述的五個(gè)趨勢(shì)中談到的示例將是這個(gè)長(zhǎng)期歷程中的路標(biāo)！
原文鏈接：https://ai.googleblog.com/2022/01/google-research-themes-from-2021-and.html
2022-01-03
2021-12-19
2021-10-29
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