虎嗅

Русский перевод: Искусственный интеллект прочитал всё, что есть в интернете, и тогда понял, что настоящий мир гораздо сложнее.

原文:AI读完了互联网,才发现真实世界更难

Краткое содержание анализа

Команда профессора Анимы Анандкумара использует нейронные операторы (например, нейронные операторы Фурье) для объединения методов глубокого обучения с физическими законами (геометрические структуры, законы сохранения и т. д.), что позволяет решить проблемы моделирования высокодимензиональных непрерывных систем в физическом мире. Эти модели работают в тысячи–миллионы раз быстрее традиционных подходов и нашли применение в таких областях, как прогнозирование погоды и моделирование термоядерных реакторов. Кроме того, они способствуют реализации концепции физической основы моделей — универсальных моделей, обрабатывающих различные физические процессы, при этом надежность моделей обеспечивается с помощью инструмента TorchLean.

1. Почему трансформаторы не справляются с задачами физического мира? — Три основных проблемы

Языковые модели (например, Transformer) неэффективны для решения задач физического мира из-за трех основных причин:

  • Различие в размерностях: Язык представлен одномерными последовательностями (предложениями), в то время как физические системы описываются трехмерными пространствами во времени (четырехмерные структуры). Например, для моделирования погоды необходимо обработать данные по 0,25-градусной сетке (около 1000×1000×1000 точек); при использовании трансформатора объем вычислений глобального внимания резко увеличивается (второй порядок сложности для 1e9 элементов).
  • Недостаток данных: В языковых моделях имеется огромное количество данных с интернета, но в физике их крайне мало — для моделирования погоды используется всего 50 000 примеров, а для термоядерных экспериментов — лишь несколько тысяч записей.
  • Высокие требования к разрешению: Физические модели требуют высокой точности (например, для погоды необходимо учитывать детали атмосферных потоков и ураганов); логика, характерная для видеомоделей (где достаточно приблизительного изображения), здесь не применима.

2. Нейронные операторы: использование физических структур для повышения эффективности

Нейронные операторы представляют собой специально разработанные для физического мира алгоритмы, основанные на использовании физических законов для сокращения объема вычислений:

  • Маппинг функций: Они позволяют обрабатывать данные разных размерностей (от грубых к детализированным сеткам).
  • Нейронные операторы Фурье: Используют преобразования Фурье для обработки пространственных данных, что позволяет эффективно учитывать нелокальные зависимости (например, влияние погоды в Чикаго на Сан-Франциско). Сложность вычислений при использовании нейронных операторов Фурье близка к линейной, что значительно ниже, чем у трансформаторов.
  • Включение физических ограничений в модель: В процесс обучения включаются законы сохранения (например, сохранение энергии) и уравнения математического анализа (например, уравнения динамики жидкостей), что гарантирует соответствие результатов модели реальным физическим законам и предотвращает возникновение ошибок.

3. Применение нейронных операторов в практических задачах

Нейронные операторы нашли широкое применение в различных областях с впечатляющими результатами:

  • Прогнозирование погоды: Модель FourCastNet может работать на потребительских GPU и работает в тысячи раз быстрее традиционных суперкомпьютеров; ее точность сопоставима с результатами профессиональных метеорологических моделей. Она позволяет прогнозировать экстремальные погодные явления (ураганы, жаркие волны) и обеспечивает высокоточные прогнозы даже для малых стран.
  • Термоядерные реакторы: Моделирование процессов в плазме происходит в тысячи раз быстрее; это позволяет предсказывать возможные сбои и разрабатывать меры по их предотвращению (например, корректировка магнитного поля для стабилизации плазмы).
  • Другие области: Моделирование процессов закопания углерода под землей, оптимизация аэродинамики автомобилей, проектирование масок для процесса обратной печати чипов и т. д.

4. Концепция физической основы моделей

Конечная цель команды Анимы — создание универсальной модели, способной обрабатывать различные физические процессы:

  • Комбинирование нескольких физических полей: Модель может одновременно моделировать тепловые, механические и электромагнитные процессы (например, влияние повышения температуры на деформацию материалов).
  • Обратное проектирование: Исходя из желаемых результатов, модель может определить оптимальное решение (например, для достижения определенных характеристик чипа).
  • Междисциплинарное переносимость: Сначала изучаются базовые физические механизмы (например, распространение тепла, деформация материалов), затем с помощью небольшого количества данных настраиваются параметры модели для решения сложных задач.

5. Проверка и надежность моделей: механизмы обеспечения достоверности

Для работы в физическом мире модели должны быть абсолютно надежными; поэтому крайне важны инструменты проверки:

  • TorchLean: Инструмент позволяет интегрировать нейронные сети в формальные системы проверки, что позволяет подтвердить их стабильность (например, проверить, не выходит ли результаты модели за пределы безопасных пределов при небольших изменениях входных данных; это важно для контроля термоядерных реакторов).
  • Почему это важно: Основная проблема научных ИИ-систем не в генерации идей, а в проверке их корректности. Инструменты вроде TorchLean обеспечивают гарантию эффективности работы ИИ-моделей, что является предпосылкой их применения в критически важных областях, таких как промышленное управление и медицина.

Дополнительные размышления

Следующим этапом развития ИИ в науке будет не создание еще более мощных трансформаторов, а использование известных физических структур в моделях. Когда ИИ перейдет от описания мира (языковые модели) к его моделированию (физические основы модели), он сможет активно участвовать в научных открытиях и промышленном проектировании: создании более эффективных термоядерных реакторов, экологически чистых материалов, предсказании экстремальных погодных явлений и т. д. Именно в этом заключается основное направление изменений, которые может принести ИИ.