IA, Machine Learning, Deep Learning

Hace unas semanas, mientras comía con un grupo de antiguos compañeros de trabajo, estuvimos hablando acerca de como con la tecnología en algunos momentos, uno tiene la sensación de que nos movemos en un mundo cíclico, donde se recuperan viejos conceptos y teorías que no han podido ponerse en práctica por diferentes razones: falta de madurez (ya sea sociedad o aplicaciones de la misma), entornos tecnológicos débiles en aquel momento, etc.

Analizamos estos conceptos que ahora mismo están tan de moda: IA, Machine Learning y Deep Learning. Nos dimos cuenta que en algunos de ellos la frontera de los mismos puede resultar poco clara llegando las personas a mezclar los mismos. La idea principal que hilaba toda la conversación, reside en el hecho de que el Big Data lo ha precipitado, ha hecho posible la eclosión de todas estas técnicas (hablamos en algunos casos de algoritmos con más 40 años de vida) permitiendo el análisis masivo de datos sobre tecnologías que hace 20 años eran sumamente caras y complejas de implantar. Por ejemplo, el procesamiento de imágenes para el reconocimiento facial podía desarrollarse sin excesivos problemas sobre máquinas MPP (Procesador Masivamente Paralelo)  o clusters, pero ¿Cual era el problema?, el coste y sobre todo la implementación de los algoritmos sobre las mismas, como por ejemplo PVM (Parallel Virtual Machine) que permite la distribución de tareas sobre un cluster formado por diferentes ordenadores de muy bajo coste (hablamos de procesadores 286 con las primeras versiones de Linux, puede que algunos los recuerden). Hoy en dia es más sencillo, debemos preocuparnos del algoritmo y sobre entornos como Spark o Hadoop podemos desarrollar los cálculos que necesitemos de una forma más simple. Pero no olvidemos que siempre deberemos tener claro donde debemos paralelizar los algoritmos desarrollando un estudio previo de ganancia sobre los mismos.

IA

Este concepto no es nuevo, quien haya cursado una Ingeniería en Informática u otras a partir de los 90 ha debido cursar asignaturas relacionadas con ella. Lleva dando vueltas desde 1950, cuando Alan Turing creó el test para determinar si un ordenador posee inteligencia real. En 1956 tuvo lugar la primera Conferencia de Inteligencia Artificial en Dartmount, lo que supuso la presentación oficial para este nuevo campo de la ciencia.

En aquellos momentos los planteamientos iniciales eran tratar de desarrollar máquinas que fueran capaces de resolver un problema complejo como lo hacemos los humanos. 

Como todo en este mundo tiende a partirse, esta nueva ciencia no estuvo exenta, surgieron dos tipos  de Inteligencia Artificial:

• Débil o estrecha (narrow/weak IA) caracterizada por estar especializada en una tarea concreta. Ejemplo típico Deep Blue, creado por IBM en 1996 que fue capaz de ganar al gran maestro de ajedrez Gary Kasparov. O DeepMind´s AlphaGo, creada por Google, que fue capaz de vencer a jugadores profesionales de Go. Como vemos emanan de la Teoría de Juegos que aporta la base para sus algoritmos. Los asistentes digitales como Siri y Cortana son ejemplos de este tipo de IA. Siempre debemos tener en cuenta que no pueden ir más allá de aquello para lo que han sido programados.
• Fuerte (Strong IA) nos lleva al mundo de la ciencia ficción, con cualidades humanas como la consciencia, la sensibilidad, la sabiduría y el auto conocimiento. Naturalmente, se mantiene más como una aspiración y no como una realidad. 

Machine Learning

Los primeros programas de IA, estaban basado en reglas y eran programados por una persona. En esta nueva forma de IA ya no se dependen de unas reglas y un programador, la computadora puede establecer sus propias reglas y aprender por si misma. Su objetivo es crear un modelo que nos permita resolver una tarea dada, entrenando el modelo por medio de un gran cantidad de datos. El modelo aprenderá de estos datos y será capaz de realizar predicciones que en caso de confirmarse, se podrán sumar a su base de hechos.  Dentro del Machine Learning hay dos métodos principales:

Aprendizaje supervisado (Supervised Learning)

Es una mala traducción por que realmente no hay una persona supervisando, más bien la persona dirige el aprendizaje. Un ejemplo puede ser el sistema de filtrado de SPAM de Google: el usuario ayuda a identificar a Gmail cuáles son los correos electrónicos contienen SPAM. A partir de un punto, ya se han procesado tantos mensajes que el sistema es capaz de extraer un modelo para poder predecir con una alta probabilidad de éxito cuáles de los correos son SPAM. 

Ejemplo de algoritmos:

• Clasificación Naïve Bayes.
• Árboles de decisión.
• K-vecinos.
• Modelos de regresión lineal.
• Métodos de regresión logística.
• Máquinas de vectores de soporte.
• Métodos Ensemble.

Aprendizaje no supervisado (Unsupervised Learning)

En este modelo no se introducen ejemplos, sino que es el propio algoritmo el que debe sacar patrones o anomalías para crear un modelo. Pongamos un ejemplo, tenemos un sistema de almacenamiento donde están recogidos datos de miles de personas, con datos importantes como su estado físico y sus hábitos alimenticios. Si queremos saber cuáles son los hábitos menos saludables, tendremos que comparar cada unos ellos con el estado de salud física de la persona hasta que encontremos el patrón. 

Se trata de un ejemplo muy básico y que puede no dar resultado válidos, únicamente estaríamos empleando 2 variables para la consecución del objetivo, pero en cualquier caso nos vale como caso de uso básico.

Ejemplo de algoritmos:

• Algoritmos de clustering (ej: K-Medidas).
• Análisis de Componentes Principales (PCA).
• Singular Value Decomposition.
• Análisis de Componentes Independientes (ICA).
• Redes neuronales.
• Redes de funciones de base radial.

Deep Learning

Uno de los algoritmos de ML que más expectación ha despertado, han sido las redes neuronales. Basado en el funcionamiento del cerebro humano se basa en una idea sencilla: dados unos parámetros hay una forma de combinarlos para predecir un cierto resultado. Ej: sabiendo los pixels de una imagen debemos poder saber si hay un número presente en la misma y de cual se trata.

Cuando hablamos de Deep Learning, hablamos de una clase de algoritmos de Machine Learning basados en redes neuronales. Se considera que el aprendizaje profundo surgió en los años 80 a partir de redes neuronales de entre 5 y 6 capas. El neocognitrón, creado por el investigador japonés Kunihiki Fukushima se considera la primera aplicación práctica. No existe un límite establecido para el número de capas que debe tener una red neuronal para que pueda considerarse Deep Learning. En la actualidad se trabaja en redes neuronales por encima de 20 capas, capaces de procesar más de 100 variables de entrada, generando sobre 20 variables de salida. 

Las redes neuronales han demostrado ser muy efectivas en la identificación de patrones.

Como aplicaciones prácticas podemos encontrar:

• Coches autónomos.
• Colorear imágenes en blanco y negro.
• Análisis y generación de informes.
• Predecir el resultado de procedimientos judiciales.
• Procesamiento del lenguaje natural.
• Optimización de rutas comerciales.
• Reconocimiento de voz e imágenes.
• Reconocimiento de gustos de usuarios.

Retos del Machine Learning & Deep Learning

La necesidad para entrenar estas complejas redes de neuronas requiere aumentar la capacidad de procesamiento. Una de las mejoras llevadas a cabo estos años ha sido el uso de GPUs para realizar estos trabajos de manera eficiente. Esto ha ahorrado la necesidad de disponer de gran cantidad de ordenadores para realizar los cálculos. NVIDIA es uno de los principales impulsores de esta tecnología adaptando muchos de sus componentes a esta nueva realidad, tanto en la investigación como en el uso de procesadores para la IA de forma autónoma como en los vehículos o drones.

Otro de los retos más importantes es optimizar el uso de grandes volúmenes de datos para extraer patrones de ellos. Se requiere adecuar el almacenamiento de esos datos, indexarlos, y que el acceso sea lo suficientemente rápido para que pueda escalar horizontalmente. Para ello disponemos de framework en Big Data como Hadoop y Spark, que acompañados de una amplia variedad de bases de datos NoSQL cumplen las expectativas.

El problema no es ofrecer una precisión del 90% ni tan siquiera del 99%, cuando hablamos de que las máquinas piensen por nosotros o, incluso, conduciendo un vehículo de forma autónoma, es preciso disponer de un 99,999% de precisión. Ahí es dónde está el verdadero reto del Deep Learning.

Después de los últimos accidentes de coches autónomos en EEUU, algunos científicos están comenzando a defender la introducción del concepto de incertidumbre para hacer la IA más segura. Se basa en añadir a las redes neuronales la capacidad de saber que se están equivocando en su predicción, por medio de modelos de probabilidad o lógica difusa se pueden introducir estas nuevas variables que ayudarán a conseguir el 99,999% de precisión.