Идиот или гений? Как работает и на что способен искусственный интеллект

Если говорить обычным языком, эта инструкция показывает, что изначально левый берег реки “содержит” трех миссионеров, трех людоедов и одну лодку, в то время как правый не содержит ничего. Желаемое состояние определяет цель программы – переправить всех на правый берег реки.

На каждом шаге программы УРЗ пытается изменить текущее состояние, чтобы сделать его более похожим на желаемое состояние. В этом коде у программы есть “операторы” (в форме подпрограмм), которые могут преобразовывать текущее состояние в новое состояние, и “правила”, кодирующие ограничения задачи. Например, один оператор перемещает некоторое количество миссионеров и людоедов с одного берега реки на другой:

ПЕРЕМЕСТИТЬ (#МИССИОНЕРОВ, #ЛЮДОЕДОВ, С-БЕРЕГА, НА-БЕРЕГ)

Слова в скобках называются параметрами, и после запуска программа заменяет эти слова на числа или другие слова. Параметр #миссионеров заменяется на количество перемещаемых миссионеров, параметр #людоедов заменяется на количество перемещаемых людоедов, а параметры с-берега и на-берег заменяются на “левый-берег” и “правый-берег” в зависимости от того, с какого берега нужно переместить миссионеров и людоедов. В программе закодировано знание, что лодка перемещается вместе с миссионерами и людоедами.

Прежде чем программа сумеет применить этот оператор с конкретными значениями параметров, она должна свериться с закодированными правилами: так, за один раз можно переместить не более двух человек, а если в результате применения оператора на одном берегу окажется больше людоедов, чем миссионеров, применять его нельзя.

Хотя эти символы обозначают знакомые людям понятия – “миссионеры”, “людоеды”, “лодка”, “левый берег”, – запускающий программу компьютер, конечно, не понимает значения символов. Можно заменить параметр “миссионеры” на “z372b” или любой другой бессмысленный набор знаков, и программа будет работать точно так же. Отчасти поэтому она называется Универсальным решателем задач. Компьютер определяет “значение” символов в зависимости от того, как их можно комбинировать и соотносить друг с другом и как ими можно оперировать.

Адвокаты символического подхода к ИИ утверждали, что невозможно наделить компьютер разумом, не написав программы, копирующие человеческий мозг. Они полагали, что для создания общего интеллекта необходима лишь верная программа обработки символов. Да, эта программа работала бы гораздо сложнее, чем в примере с миссионерами и людоедами, но все равно состояла бы из символов, комбинаций символов, правил и операций с символами. В итоге символический ИИ, примером которого стал Универсальный решатель задач, доминировал в сфере ИИ в первые три десятилетия ее существования. Самым заметным его воплощением стали экспертные системы, которые использовали созданные людьми правила для компьютерных программ, чтобы выполнять такие задачи, как постановка медицинских диагнозов и принятие юридических решений. Символический ИИ по-прежнему применяется в нескольких сферах – я приведу примеры таких систем позже, в частности при обсуждении подходов ИИ к построению логических выводов и здравому смыслу.

Субсимволический ИИ: перцептроны

Вдохновением для символического ИИ послужила математическая логика и описание людьми своих сознательных мыслительных процессов. Субсимволический ИИ, напротив, вдохновлялся нейробиологией и стремился ухватить порой бессознательные мыслительные процессы, лежащие в основе так называемых процессов быстрого восприятия, например распознавания лиц или произносимых слов. Программы субсимволического ИИ не содержат понятного людям языка, который мы наблюдали в примере с миссионерами и людоедами. По сути, они представляют собой набор уравнений – настоящие дебри непонятных операций с числами. Как я поясню чуть дальше, такие системы на основе данных учатся выполнять поставленную перед ними задачу.

Одной из первых субсимволических ИИ-программ, созданных по модели мозга, стал перцептрон, изобретенный в конце 1950-х годов психологом Фрэнком Розенблаттом[29 - F. Rosenblatt, “The Perceptron: A Probabilistic Model for Information Storage and Organization in the Brain”, Psychological Review 65, no. 6 (1958): 386–408.]. Сегодня термин “перцептрон” кажется заимствованным из научной фантастики пятидесятых годов (как мы увидим, вскоре за ним последовали “когнитрон” и “неокогнитрон”), но перцептрон стал важной вехой развития ИИ и может считаться авторитетным прадедом самого успешного инструмента современного ИИ, глубоких нейронных сетей.

Розенблатт изобрел перцептрон, обратив внимание на то, как нейроны обрабатывают информацию. Нейрон – это клетка мозга, которая получает электрический или химический импульс от связанных с нею нейронов. Грубо говоря, нейрон суммирует все импульсы, которые получает от других нейронов, и сам посылает импульс, если итоговая сумма превышает определенный порог. Важно, что разные связи (синапсы) конкретного нейрона с другими нейронами имеют разную силу, а потому, суммируя импульсы, нейрон придает больше веса импульсам от сильных связей, чем импульсам от слабых связей. Нейробиологи полагают, что поправки на силу связей между нейронами – важнейший элемент процесса обучения, происходящего в мозге.

С точки зрения специалиста по информатике (или, как в случае с Розенблаттом, психолога), обработку информации нейронами можно смоделировать в компьютерной программе – перцептроне, – которая преобразует много численных входных сигналов в один выходной сигнал. Аналогия между нейроном и перцептроном показана на рис. 1. На рис. 1A мы видим нейрон с ветвистыми дендритами (волокнами, которые проводят входящие импульсы в клетку), телом клетки и аксоном (или выводным каналом). На рис. 1B изображен простой перцептрон. Как и нейрон, перцептрон суммирует все входящие сигналы. Если итоговая сумма равняется порогу перцептрона или превышает его, перцептрон выдает значение 1 (“передает сигнал”); в противном случае он выдает значение 0 (“не передает сигнал”). Чтобы смоделировать различную силу связей нейрона, Розенблатт предложил присваивать каждому входному сигналу перцептрона численный вес и умножать входной сигнал на его вес, прежде чем прибавлять к сумме. Порог перцептрона – это число, определяемое программистом (или, как мы увидим, узнаваемое самим перцептроном).

Рис. 1. A: нейрон в мозге; В: простой перцептон

Иными словами, перцептрон – это простая программа, которая принимает решение “да или нет” (1 или 0) в зависимости от того, достигает ли сумма взвешенных входных сигналов порогового значения. Вероятно, вы тоже время от времени принимаете такие решения в жизни. Например, вы узнаете мнение нескольких друзей о конкретном фильме, но вкусам одних друзей доверяете больше, чем вкусам других. Если сумма “дружеских восторгов” – при большем весе мнений тех друзей, которым вы доверяете больше, – достаточно высока (то есть превышает некоторый неосознанный порог), вы решаете посмотреть фильм. Именно так перцептрон выбирал бы фильмы к просмотру, если бы у него были друзья.

Вдохновленный сетями нейронов в мозге, Розенблатт предположил, что сети перцептронов могут выполнять визуальные задачи, например справляться с распознаванием объектов и лиц. Чтобы понять, как это может работать, давайте изучим, как с помощью перцептрона решить конкретную визуальную задачу: распознать рукописные цифры вроде тех, что показаны на рис. 2.

Давайте сделаем перцептрон детектором восьмерок – в таком случае он будет выдавать единицу, если входным сигналом служит изображение цифры 8, и ноль, если на входном изображении будет любая другая цифра. Чтобы создать такой детектор, нам нужно (1) понять, как превратить изображение в набор численных входных сигналов, и (2) определить численные значения весов и порог перцептрона для формирования верного выходного сигнала (1 для восьмерок и 0 для других цифр). Я рассмотрю эту задачу более подробно, поскольку многие из этих принципов понадобятся нам при обсуждении нейронных сетей и их применения в компьютерном зрении.

Рис. 2. Примеры рукописных цифр

Входные сигналы нашего перцептрона

На рис. 3A показана увеличенная рукописная восьмерка. Каждый квадрат координатной сетки – это пиксель с численным значением “насыщенности”: насыщенность белых квадратов равняется 0, насыщенность черных – 1, а насыщенность серых имеет промежуточное значение. Допустим, все изображения, которые мы даем перцептрону, подогнаны к единому размеру – 18 ? 18 пикселей. На рис. 3B показан перцептрон для распознавания восьмерок. У этого перцептрона 324 (то есть 18 ? 18) входных сигнала, каждый из которых соответствует одному пикселю из сетки 18 ?18. При получении изображения, подобного показанному на рисунке 3A, каждый входной сигнал настраивается на насыщенность соответствующего пикселя. Каждому входному сигналу также присваивается свой вес (на рисунке не показан).

Рис. 3. Иллюстрация перцептрона, который распознает рукописные восьмерки. Каждый пиксель на изображении 18 ? 18 пикселей соответствует одному входному сигналу перцептрона, что дает 324 (= 18 ? 18) входных сигнала.

Как узнать веса и порог перцептрона

В отличие от символической системы Универсального решателя задач, которую я описала ранее, перцептрон не имеет очевидных правил для выполнения задачи, а все его “знания” закодированы в числах, определяющих веса входных сигналов и пороговое значение. В ряде статей Розенблатт показал, что при корректных весах и пороговом значении такой перцептрон, как на рисунке 3B, вполне неплохо справляется с такими задачами на восприятие, как распознавание простых рукописных цифр. Но как именно определить корректные веса и пороговое значение для конкретной задачи? И снова Розенблатт предложил ответ, навеянный работой мозга: перцептрон должен сам узнавать эти значения. Но каким образом? Вторя популярным в то время теориям бихевиоральной психологии, Розенблатт считал, что перцептроны должны обучаться, накапливая условный рефлекс. Отчасти вдохновленный работой бихевиориста Б. Ф. Скиннера, который обучал крыс и голубей выполнять задачи с помощью положительного и отрицательного подкрепления, Розенблатт полагал, что перцептрон следует обучать на примерах: его нужно вознаграждать, когда он выдает верный результат, и наказывать, когда он ошибается. Теперь такая форма обучения в ИИ называется обучением с учителем. В ходе обучения система получает пример и генерирует выходной сигнал, а затем получает “сигнал от учителя”, который показывает, насколько выходной сигнал системы отличается от верного. Затем система использует этот сигнал, чтобы скорректировать веса и пороговое значение.

Концепция обучения с учителем – ключевой элемент современного ИИ, поэтому ее стоит разобрать подробнее. Как правило, обучение с учителем требует большого набора положительных (скажем, коллекции восьмерок, написанных разными людьми) и отрицательных (скажем, коллекции других рукописных цифр, среди которых нет восьмерок) примеров. Каждый пример размечается человеком, который присваивает ему определенную категорию (метку) – здесь это “восьмерка” и “не восьмерка”. Метка применяется в качестве контрольного сигнала. Некоторые положительные и отрицательные примеры используются для тренировки системы и формируют тренировочное множество. Оставшиеся примеры – тестовое множество – используются для оценки работы системы после обучения, чтобы понять, насколько хорошо она научилась правильно отвечать на запросы в целом, а не только на обучающие примеры.

Вероятно, самым важным в информатике стоит признать понятие “алгоритм”. Оно обозначает “рецепт” со списком шагов, которые компьютер может предпринять для решения конкретной задачи. Главным вкладом Фрэнка Розенблатта в ИИ стало создание особого алгоритма, названного алгоритмом обучения перцептрона. С помощью этого алгоритма перцептрон можно научить на примерах определять веса и пороговое значение для получения верных ответов. Вот как он работает: сначала весам и порогу присваиваются случайные значения в диапазоне от –1 до 1. В нашем примере первому входному сигналу может быть присвоен вес 0,2, второму – вес –0,6 и так далее. Пороговым значением может стать 0,7. С генерацией начальных значений без труда справится компьютерная программа, называемая генератором случайных чисел.

Теперь мы можем приступать к процессу обучения. Перцептрон получает первый обучающий пример, не видя метку с верной категорией. Перцептрон умножает каждый входной сигнал на его вес, суммирует результаты, сравнивает сумму с пороговым значением и выдает либо 1, либо 0. Здесь выходной сигнал 1 означает, что перцептрон распознал восьмерку, а выходной сигнал 0 – что он распознал “не восьмерку”. Далее в процессе обучения выходной сигнал перцептрона сравнивается с верным ответом, который дает присвоенная человеком метка (“восьмерка” или “не восьмерка”). Если перцептрон прав, веса и пороговое значение не меняются. Если же перцептрон ошибся, веса и пороговое значение слегка корректируются так, чтобы сумма входных сигналов в этом тренировочном примере оказалась ближе к нужной для верного ответа. Более того, степень изменения каждого веса зависит от соответствующего значения входного сигнала, то есть вина за ошибку в основном возлагается на входные сигналы, которые сильнее других повлияли на результат. Например, в восьмерке на рис. 3A главным образом на результат повлияли бы более насыщенные (здесь – черные) пиксели, в то время как пиксели с нулевой насыщенностью (здесь – белые) не оказали бы на него никакого влияния. (Для любопытных читателей я описала некоторые математические подробности в примечании[30 - Математически алгоритм обучения перцептрона описывается следующим образом. Для каждого веса w

: w

? w

+ ? (t – y) x

, где t – верный выходной сигнал (1 или 0) для заданного входного сигнала, y – фактический выходной сигнал перцептрона, x

 – входной сигнал, связанный с весом w

, а ? – скорость обучения, задаваемая программистом. Стрелка обозначает обновление. Порог учитывается путем создания дополнительного “входного сигнала” x

с постоянным значением 1, которому присваивается вес w

 = –порог. При наличии этого дополнительного входного сигнала и веса (называемого смещением) перцептрон дает сигнал на выходе, только если сумма входных сигналов, помноженных на веса (то есть скалярное произведение входного вектора и вектора веса) больше или равняется 0. Часто входные значения масштабируются и подвергаются другим преобразованиям, чтобы веса не становились слишком велики.].)

Все шаги повторяются на каждом из обучающих примеров. Процесс обучения много раз проходится по всем обучающим примерам, слегка корректируя веса и пороговое значение при каждой ошибке перцептрона. Обучая голубей, психолог Б. Ф. Скиннер обнаружил, что учиться лучше постепенно, совершая множество попыток, и здесь дело обстоит точно так же: если слишком сильно изменить веса и пороговое значение после одной попытки, система может научиться неправильному правилу (например, чрезмерному обобщению, что “нижняя и верхняя половины восьмерки всегда равны по размеру”). После множества повторов каждого обучающего примера система (как мы надеемся) окончательно определяет набор весов и пороговое значение, при которых перцептрон дает верные ответы для всех обучающих примеров. На этом этапе мы можем проверить перцептрон на примерах из тестового множества и увидеть, как он справляется с распознаванием изображений, не входивших в обучающий набор.

Детектор восьмерок полезен, когда вас интересуют только восьмерки. Но что насчет распознавания других цифр? Не составляет труда расширить перцептрон таким образом, чтобы он выдавал десять выходных сигналов, по одному на каждую цифру. Получая пример рукописной цифры, перцептрон будет выдавать единицу в качестве выходного сигнала, соответствующего этой цифре. При наличии достаточного количества примеров расширенный перцептрон сможет узнать все необходимые веса и пороговые значения, используя алгоритм обучения.

Розенблатт и другие исследователи показали, что сети перцептронов можно научить выполнять относительно простые задачи на восприятие, а еще Розенблатт математически доказал, что теоретически достаточно обученные перцептроны могут безошибочно выполнять задачи определенного, хотя и строго ограниченного класса. При этом было непонятно, насколько хорошо перцептроны справляются с более общими задачами ИИ. Казалось, эта неопределенность не мешала Розенблатту и его спонсорам из Научно-исследовательского управления ВМС США делать до смешного оптимистичные прогнозы о будущем алгоритма. Освещая пресс-конференцию Розенблатта, состоявшуюся в июле 1958 года, газета The New York Times написала:

Сегодня ВМС продемонстрировали зародыш электронного компьютера, который, как ожидается, сможет ходить, говорить, видеть, писать, воспроизводить себя и сознавать свое существование. Было сказано, что в будущем перцептроны смогут узнавать людей, называть их по именам и мгновенно переводить устную речь и тексты с одного языка на другой[31 - Цит. по: M. Olazaran, “A Sociological Study of the Official History of the Perceptrons Controversy”, Social Studies of Science 26, no. 3 (1996): 611–659.].

Да, даже в самом начале ИИ страдал от шумихи. Вскоре я расскажу о печальных последствиях такого ажиотажа. Но пока позвольте мне на примере перцептронов объяснить основные различия между символическим и субсимволическим подходом к ИИ.

Поскольку “знания” перцептрона состоят из набора чисел, а именно – определенных в ходе обучения весов и порогового значения, – сложно выявить правила, которые перцептрон использует при выполнении задачи распознавания. Правила перцептрона не символические: в отличие от символов Универсального решателя задач, таких как ЛЕВЫЙ-БЕРЕГ, #МИССИОНЕРОВ и ПЕРЕМЕСТИТЬ, веса и порог перцептрона не соответствуют конкретным понятиям. Довольно сложно преобразовать эти числа в понятные людям правила. Ситуация существенно усложняется в современных нейронных сетях с миллионами весов.

Можно провести грубую аналогию между перцептронами и человеческим мозгом. Если бы я могла заглянуть к вам в голову и понаблюдать за тем, как некоторое подмножество ста миллиардов ваших нейронов испускает импульсы, скорее всего, я бы не поняла, ни о чем вы думаете, ни какие “правила” применяете при принятии конкретного решения. Тем не менее человеческий мозг породил язык, который позволяет вам использовать символы (слова и фразы), чтобы сообщать мне – часто недостаточно четко, – о чем вы думаете и почему приходите к определенным выводам. В этом смысле наши нервные импульсы можно считать субсимволическими, поскольку они лежат в основе символов, которые каким-то образом создает наш мозг. Перцептроны, а также более сложные сети искусственных нейронов, называются “субсимволическими” по аналогии с мозгом. Их поборники считают, что для создания искусственного интеллекта языкоподобные символы и правила их обработки должны не программироваться непосредственно, как для Универсального решателя задач, а рождаться в нейроноподобных архитектурах точно так же, как интеллектуальная обработка символов рождается в мозге.

Ограниченность перцептронов

После Дартмутского семинара 1956 года доминирующее положение в сфере ИИ занял символический лагерь. В начале 1960-х годов, пока Розенблатт увлеченно работал над перцептроном, большая четверка “основателей” ИИ, преданных символическому лагерю, создала авторитетные – и прекрасно финансируемые – лаборатории ИИ: Марвин Минский открыл свою в MIT, Джон Маккарти – в Стэнфорде, а Герберт Саймон и Аллен Ньюэлл – в Университете Карнеги – Меллона. (Примечательно, что эти университеты по сей день входят в число самых престижных мест для изучения ИИ.) Минский, в частности, полагал, что моделирование мозга, которым занимался Розенблатт, ведет в тупик и ворует деньги у более перспективных проектов символического ИИ[32 - M. A. Boden, Mind as Machine: A History of Cognitive Science (Oxford: Oxford University Press, 2006), 2:913.]. В 1969 году Минский и его коллега по MIT Сеймур Пейперт опубликовали книгу “Перцептроны”[33 - M. L. Minsky and S. L. Papert, Perceptrons: An Introduction to Computational Geometry (Cambridge, Mass.: MIT Press, 1969). (Минский М., Пейперт С. Персептроны / Пер. с англ. Г. Гимельфарба и В. Шарыпанова – М.: Издательство “Мир”, 1971.)], в которой математически доказали, что существует крайне ограниченное количество типов задач, поддающихся безошибочному решению перцептроном, а алгоритм обучения перцептрона не сможет показывать хорошие результаты, когда задачи будут требовать большого числа весов и порогов.

Минский и Пейперт отметили, что если перцептрон усовершенствовать, добавив дополнительный “слой” искусственных нейронов, то количество типов задач, которые сможет решать устройство, значительно возрастет[34 - Выражаясь техническим языком, любую булеву функцию можно вычислить с помощью полностью подключенной многослойной сети с линейными пороговыми значениями и одним внутренним (“скрытым”) слоем.]. Перцептрон с таким дополнительным слоем называется многослойной нейронной сетью. Такие сети составляют основу значительной части современного ИИ, и я подробно опишу их в следующей главе. Пока же я отмечу, что в то время, когда Минский и Пейперт писали свою книгу, многослойные нейронные сети еще не были широко изучены, в основном потому что не существовало общего алгоритма, аналогичного алгоритму обучения перцептрона, для определения весов и пороговых значений.

Ограниченность простых перцептронов, установленная Минским и Пейпертом, была уже известна людям, работавшим в этой сфере[35 - Olazaran, “Sociological Study of the Official History of the Perceptrons Controversy”.]. Сам Фрэнк Розенблатт много работал с многослойными перцептронами и признавал, что их сложно обучать[36 - G. Nagy, “Neural Networks – Then and Now”, IEEE Transactions on Neural Networks 2, no. 2 (1991): 316–318.]. Но последний гвоздь в крышку гроба перцептронов вогнала не математика Минского и Пейперта, а их рассуждения о многослойных нейронных сетях:

[Перцептрон] обладает многими свойствами, привлекающими внимание: линейность, интригующая способность к обучению, очевидная простота перцептрона как разновидности устройства для параллельных вычислений. Нет никаких оснований предполагать, что любое из этих достоинств распространяется на многослойный вариант. Тем не менее мы считаем важной исследовательской задачей разъяснить (или отвергнуть) наше интуитивное заключение о том, что обсуждаемое расширение бесплодно[37 - Minsky and Papert, “Perceptrons”, 231–232. (Пер. с англ. Г. Гимельфарба и В. Шарыпанова.)].

Ой-ой! Сегодня последнее предложение этого отрывка, возможно, сочли бы “пассивно-агрессивным”. Такие негативные спекуляции отчасти объясняют, почему в конце 1960-х финансирование исследований нейронных сетей прекратилось, хотя государство продолжало вливать немалые деньги в символический ИИ. В 1971 году Фрэнк Розенблатт утонул в возрасте сорока трех лет. Лишившись главного идеолога и большей части государственного финансирования, исследования перцептронов и других систем субсимволического ИИ практически остановились. Ими продолжали заниматься лишь несколько отдельных академических групп.

Зима ИИ

Тем временем поборники символического ИИ писали заявки на гранты, обещая скорые прорывы в таких областях, как понимание речи и языка, построение логических выводов на основе здравого смысла, навигация роботов и беспилотные автомобили. К середине 1970-х годов были успешно развернуты некоторые узкие экспертные системы, но обещанных прорывов общего характера так и не произошло.

Это не укрылось от внимания финансирующих организаций. Британский Совет по научным исследованиям и Министерство обороны США подготовили отчеты, в которых дали крайне отрицательную оценку прогрессу и перспективам исследований ИИ. В частности, в британском отчете отмечалось, что некоторые надежды вселяет продвижение в области специализированных экспертных систем – “программ, написанных для работы в узких сферах, где программирование полностью принимает во внимание человеческий опыт и человеческие знания в соответствующей области”, – но подчеркивалось, что текущие результаты работы “над программами общего назначения, ориентированными на копирование механизма решения широкого спектра задач с человеческого [мозга], удручают. Вожделенная долгосрочная цель исследований в сфере ИИ кажется все такой же далекой”[38 - J. Lighthill, “Artificial Intelligence: A General Survey”, in Artificial Intelligence: A Paper Symposium (London: Science Research Council, 1973).]. После этого отчета государственное финансирование исследований ИИ в Великобритании резко сократилось, Министерство обороны США тоже существенно урезало бюджеты базовых исследований ИИ.

Это стало одним из первых примеров повторяющегося цикла взлетов и падений ИИ. Как правило, двухфазный цикл развивается следующим образом. Фаза 1: Новые идеи рождают большой оптимизм в научном сообществе. Появляются прогнозы о грядущих прорывах в сфере ИИ, которые часто приводят к шумихе в прессе. Государственные структуры и частные инвесторы выделяют средства на проведение научных исследований и организацию коммерческих стартапов. Фаза 2: Обещанные прорывы не происходят или оказываются гораздо скромнее, чем предполагалось. Приток средств от государственных и частных инвесторов сокращается. Стартапы сворачивают деятельность, исследования ИИ замедляются. Такая схема прекрасно знакома ИИ-сообществу: за “весной ИИ” следуют раздутые обещания и шумиха в прессе, а затем наступает “зима ИИ”. В той или иной степени это происходит циклично с периодичностью от пяти до десяти лет. Когда в 1990 году я окончила университет, сфера ИИ переживала одну из зим и заработала такую плохую репутацию, что мне даже посоветовали не упоминать об искусственном интеллекте в своем резюме.