從基礎(chǔ)研究淺析人工智能技術(shù)發(fā)展前景

劉歡 吳芬

摘要：在過去的60年中，人工智能在算法、算力和數(shù)據(jù)的共同驅(qū)動下取得了飛速發(fā)展，但仍處于人工智能薄弱的階段。從分析人工智能算法和計算能力的基礎(chǔ)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢著眼，從弱人工智能到強(qiáng)人工智能的發(fā)展迫切需要基礎(chǔ)研究的革命性突破。在算法級別，深度學(xué)習(xí)算法模型缺乏可解釋性和可概括性。它遇到了基礎(chǔ)理論的瓶頸，迫切需要基礎(chǔ)理論的突破。在計算能力級別上，由于采用了集成電路工藝和微物理極限，摩爾定律無效。電子芯片的計算能力的增長已放緩，并且通用計算芯片的體系結(jié)構(gòu)受到馮諾依曼瓶頸的制約。以神經(jīng)形態(tài)芯片為代表的人工智能芯片方興未艾。在數(shù)據(jù)層面，細(xì)分領(lǐng)域缺乏高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集，制約了人工智能技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，未來將繼續(xù)構(gòu)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。簡而言之，人工智能的基礎(chǔ)技術(shù)在未來很長一段時間內(nèi)將緩慢發(fā)展，但是工業(yè)應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ);人工智能技術(shù);發(fā)展前景

一、引言

人工智能是一個復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，已發(fā)展到計算機(jī)技術(shù)的高級階段，該系統(tǒng)集成了計算機(jī)、數(shù)學(xué)、邏輯、信息論、控制論、認(rèn)知科學(xué)和倫理學(xué)等多個學(xué)科。人工智能是在1956年在達(dá)特茅斯學(xué)院的一次學(xué)術(shù)會議上提出的，可以分為3個發(fā)展階段：弱人工智能、強(qiáng)人工智能和超級人工智能。ANI是在有限條件下的人工智能。目前掌握的人工智能技術(shù)、基金項(xiàng)目，也就是重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用的人工智能數(shù)據(jù)安全監(jiān)管與服務(wù)平臺建設(shè)，它是沒有理解和推理的感知智力。AGI是能夠理解和推理，并且具有感知和自我意識的解決問題的機(jī)器智能，屬于認(rèn)知智能。在幾乎所有領(lǐng)域中，ASI是比最聰明的人腦更聰明的機(jī)器智能，并且是人工智能技術(shù)開發(fā)的最終目標(biāo)。

在過去的60年中，算法、算力和數(shù)據(jù)3個基石共同推動了人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展。本文概述了弱人工智能的發(fā)展過程，即初始時期、知識驅(qū)動時期和數(shù)據(jù)驅(qū)動時期。它著眼于前沿基礎(chǔ)研究的進(jìn)展以及算法和計算能力所面臨的挑戰(zhàn)，并闡明了數(shù)據(jù)驅(qū)動時期大數(shù)據(jù)對人工智能的影響。最后從算法、計算能力、數(shù)據(jù)集和工業(yè)應(yīng)用4個方面分析了人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢。

二、人工智能的發(fā)展歷程

（一）初始時期

在該時期，人工智能的概念和相關(guān)的基礎(chǔ)理論開始創(chuàng)新發(fā)展。最初的嘗試用軟件來模仿人類智能的嘗試，例如知識表達(dá)，文本計算，簡單的神經(jīng)元模型，模糊集理論和學(xué)習(xí)算法，都受到算法，計算能力的限制。由于缺乏數(shù)據(jù)，許多理論尚未實(shí)現(xiàn)，但是它們?yōu)槿斯ぶ悄艿目焖侔l(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

（二）知識驅(qū)動時期

在該時期，已采用基于符號、邏輯和規(guī)則的知識驅(qū)動方法來開發(fā)智能專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了專業(yè)知識庫、經(jīng)驗(yàn)和專家決策。在不同領(lǐng)域有大量的專家系統(tǒng)可以獲取應(yīng)用程序，如化學(xué)、電子、工程、醫(yī)學(xué)和過程控制等。

（三）數(shù)據(jù)驅(qū)動時期

在該時期，采用了以“深度學(xué)習(xí)+大數(shù)據(jù)”為特征的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，并取得了突破性的成就。標(biāo)志性事件：深藍(lán)在1997年擊敗了世界象棋冠軍卡斯帕羅夫。在語音識別和圖像識別中采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法取得了突破性進(jìn)展。

三、人工智能算法

人工智能復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的核心是人工智能算法。該算法本質(zhì)上是一組數(shù)學(xué)理論。例如，深度學(xué)習(xí)和貝葉斯算法的基礎(chǔ)模型涉及高級數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和概率論。

從知識驅(qū)動到數(shù)據(jù)驅(qū)動，人工智能本質(zhì)上是從知識編碼到機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的理論范式的突破性變化，它在過去的20年中引發(fā)了人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展。人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)上是通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計和概率對人類思維過程的近似描述。它經(jīng)歷了3項(xiàng)突破性的發(fā)展：1950年代提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原型感知器，1980年代提出了淺層傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。151然后，以深度學(xué)習(xí)為代表的高復(fù)雜度算法自2006年以來爆炸式增長。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)中基于大規(guī)模數(shù)據(jù)的表示學(xué)習(xí)算法，可以從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)高級功能。在互聯(lián)網(wǎng)爆炸帶來的計算能力和大數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長的全面支持下，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在多個領(lǐng)域逐步取得突破，為當(dāng)前在計算機(jī)視覺、語音識別、自然語言處理和其他人工智能方面的深度學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)核心領(lǐng)域的統(tǒng)治。

深度學(xué)習(xí)在圖像和語音領(lǐng)域非常成熟，自然語言處理仍然面臨許多挑戰(zhàn)。近年來，NLP領(lǐng)域深度學(xué)習(xí)的主要進(jìn)展是Google基于變壓器的雙向編碼器表示。首先，將大量未標(biāo)記的語料庫用于模型預(yù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，然后使用少量的標(biāo)記的語料庫進(jìn)行微調(diào)以完成分類、序列標(biāo)記和句子間句法。關(guān)系判斷和機(jī)器閱讀理解等任務(wù)。BERT模型在許多自然語言理解任務(wù)上具有出色的性能，但是由于其深厚的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大量的參數(shù)，工程實(shí)現(xiàn)的計算能力非常大。

深度學(xué)習(xí)和其他學(xué)習(xí)方法形成一個組合模型：深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)、人工規(guī)則和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合以及圖和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合。分布式深度學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展是萊斯大學(xué)的研究人員與亞馬遜合作提出的MACH算法。該算法將模型中的10億個參數(shù)劃分為幾個級別，然后對其進(jìn)行重新分類，從而大大減少了單個搜索的次數(shù)，從而大大減少了培訓(xùn)時間和內(nèi)存使用量，并且在大型數(shù)據(jù)庫中的檢索將更加高效。

遷移學(xué)習(xí)將訓(xùn)練后的模型從源任務(wù)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)任務(wù)，以幫助目標(biāo)任務(wù)解決訓(xùn)練樣本不足的問題。深度遷移學(xué)習(xí)具有深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，主要分為四類：基于示例、映射、網(wǎng)絡(luò)和對抗的深度遷移學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)標(biāo)記非常耗時且費(fèi)力，如標(biāo)記語義分段圖。相關(guān)學(xué)者提出了一種自動標(biāo)記圖像的方法，可以自動生成多邊形以標(biāo)記圖像中的對象。它使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征，然后使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對多邊形的頂點(diǎn)進(jìn)行解碼，最后通過評估網(wǎng)絡(luò)從候選對象中選擇最佳模型。深度森林算法模型打破了深度學(xué)習(xí)技術(shù)中深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的壟斷。它還具有逐層處理、內(nèi)置特征變化和模型復(fù)雜度高的特點(diǎn)，在非法現(xiàn)金檢測應(yīng)用中取得了良好的效果。

綜合分析人工智能的當(dāng)前基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀，算法模型的未來發(fā)展趨勢是自動化、組合、輕量化、泛化和探索新的深度模型。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在將大部分資源投入到現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)和應(yīng)用擴(kuò)展中，而對基礎(chǔ)理論研究的關(guān)注不足。盡管各種深度學(xué)習(xí)算法仍在研究和改進(jìn)中，但它們都面臨基礎(chǔ)理論的瓶頸，尤其是黑盒問題，泛化性差和深度學(xué)習(xí)穩(wěn)定性不足。強(qiáng)大的人工智能之路仍然遙遙無期。基本算法模型的未來突破提供兩種技術(shù)途徑：一個是神經(jīng)科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn);另一個是知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的結(jié)合。第一條技術(shù)路線比較困難，但前景更廣闊。因此，各國將神經(jīng)研究計劃列為國家戰(zhàn)略，并將神經(jīng)的基礎(chǔ)研究視為競爭全球人工智能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)的關(guān)鍵。

四、人工智能算法的算力分析

（一）算力與算法的關(guān)系

盡管人工智能的基本理論在早期得到了蓬勃發(fā)展，但芯片的計算能力不足限制了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在1980年，計算能力與早期相比增加了大約兩個數(shù)量級，這只能支持淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)。在21世紀(jì)之后，與早期相比，計算能力發(fā)生了質(zhì)的變化，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高復(fù)雜度算法。因此，在計算能力和人工智能算法的不斷發(fā)展中，計算能力和算法相輔相成，計算能力既促進(jìn)又制約著算法。

（二）通用電子芯片的發(fā)展

目前，使用CMOS技術(shù)生產(chǎn)通用電子芯片。在商業(yè)上，5nm工藝已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。隨著晶體管的尺寸逼近物理極限，電子芯片技術(shù)進(jìn)入了后摩爾時代。通過減小晶體管的尺寸來增加集成密度的方法是不可持續(xù)的。通用電子芯片開發(fā)的主要技術(shù)路線是：新工藝、新材料和新物理原理。新工藝的杰出代表是先進(jìn)包裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。隨著摩爾定律的放慢，先進(jìn)的封裝技術(shù)已成為電子產(chǎn)品小型化、多功能、低功耗和高帶寬的核心手段。它正在向集成、高速、高頻和三個方向發(fā)展。三維封裝技術(shù)的本質(zhì)是將多個高帶寬存儲芯片與CPU、GPU、FPCA和其他處理器垂直堆疊在三維空間中，以減少彼此的傳輸路徑，加快計算速度并提高整體計算效率。

五、人工智能發(fā)展的前景

短期內(nèi)，算法模型的發(fā)展趨勢是自動化、組合、輕量、通用和新的深度模型、例如，在AlphaGo上成功實(shí)現(xiàn)深度增強(qiáng)模型以及使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)增強(qiáng)。深度轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)在一定程度上緩解了培訓(xùn)數(shù)據(jù)不足的困境;自動機(jī)器學(xué)習(xí)嘗試逐步使機(jī)器學(xué)習(xí)中的部分或全部過程自動化。深林是一種新型的深度網(wǎng)絡(luò)模型，它打破了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在深度學(xué)習(xí)技術(shù)中的壟斷地位。從長遠(yuǎn)來看，算法模型基礎(chǔ)理論的突破很可能來自神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的革命性突破。

大量的大樣本訓(xùn)練時間長，計算成本高，可解釋性差和穩(wěn)定性差。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型使用概率和統(tǒng)計方法通過逐層特征轉(zhuǎn)換自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)樣本的特征，但是樣本的利用率較低，在現(xiàn)階段無法通過很少的學(xué)習(xí)樣品像人。未來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)將不僅依賴于速率統(tǒng)計方法，還將與知識規(guī)則驅(qū)動的方法相集成。小數(shù)據(jù)樣本培訓(xùn)是未來的重要發(fā)展方向。隨著大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)和云端計算的飛速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的人工智能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在計算機(jī)視覺、語音識別、自然語言處理、機(jī)器翻譯等領(lǐng)域與路徑規(guī)劃其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)深入探索，并將在安全、金融、運(yùn)輸、教育、醫(yī)療和能源等多個應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛工業(yè)化。

結(jié)語

在算法、算力和數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，人工智能正進(jìn)入由深度學(xué)習(xí)技術(shù)引領(lǐng)的發(fā)展浪潮。盡管算法的基礎(chǔ)理論存在瓶頸，但人工智能的工業(yè)應(yīng)用仍在不斷發(fā)展。

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武漢商貿(mào)職業(yè)學(xué)院劉歡吳芬