【G検定】Neural Architecture Search（NAS）

Neural Architecture Search（NAS）

NASの背景

深層学習モデルの設計は、長年にわたり人間の専門家によって行われてきました。2012年にAlexNetが登場して以降、VGGNet、GoogLeNet、ResNetなど、さまざまな画期的なモデルが開発されてきました。これらのモデルは、層の数、フィルタのサイズ、活性化関数の種類など、多くのハイパーパラメータを試行錯誤的に調整することで生み出されました。

例えば、ResNetの登場以降、Wide ResNetやDenseNetなどの派生モデルが開発され、さらにはSqueeze-and-Excitation Networks（SENet）のようなAttention機構を導入したモデルも登場しました。また、MobileNetのようなモバイル端末向けの軽量モデルも開発されています。

しかし、これらの手動設計には限界があります。ネットワークの構造を決定する際には、層数、フィルタのサイズ、フィルタ数、スキップ結合の有無、活性化関数、プーリングの種類など、膨大な数の組み合わせを考慮する必要があります。人間の直感や経験だけでは、この膨大な探索空間から最適な構造を見つけ出すことは極めて困難です。

NASの仕組み：自動化された構造探索

NASは、この課題に対する革新的なアプローチを提供します。NASは、リカレントニューラルネットワークと深層強化学習を組み合わせて、最適なネットワーク構造を自動的に探索します。

具体的な仕組みは以下の通りです：

1. リカレントニューラルネットワークが、各層のフィルタサイズやフィルタ数などのパラメータを出力します。
2. これらのパラメータに基づいて、新しいネットワーク構造が生成されます。
3. 生成されたネットワークは学習され、その性能が評価されます。
4. 深層強化学習アルゴリズムが、この評価結果に基づいてリカレントニューラルネットワークを更新し、より高性能なネットワーク構造を生成できるように学習します。

この過程を繰り返すことで、NASは人間の直感を超える、高度に最適化されたネットワーク構造を発見することができます。

NASの進化

NASの技術は急速に進化しています。例えば、NASNetは、ResNetのResidual Blockのような大きな構造単位で探索を行うことで、より効率的な探索を実現しました。また、MnasNetは認識精度だけでなく、モバイル端末での計算量も考慮に入れた探索を行います。

これらの研究から生まれたのが、EfficientNetです。EfficientNetは、NASによって最適化された構造を基にしたモデルで、高い認識精度と計算効率を両立しています。さらに、EfficientNetは転移学習にも優れた性能を示し、様々な機械学習コンペティションで活用されています。

NASの登場により、AIモデルの設計プロセスは大きく変わりつつあります。人間の専門家による試行錯誤は、コンピュータによる系統的な探索に置き換わりつつあります。この技術の進歩により、より高性能で効率的なAIモデルの開発が可能になり、AIの応用範囲はさらに広がることが期待されています。