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AI 뉴스와 연구

연구 ·

프랙털 형태의 학습 지형이 딥러닝 재현이 어려운 이유를 설명할 수도

Nature Machine Intelligence 논문은 딥러닝의 재현성 문제가 구멍투성이 끌개 영역에서 비롯된다고 주장합니다. 한 해로 가는 시작점마다 다른 해로 가는 시작점이 임의로 가까이 붙어 있다는 뜻입니다. 저자들은 최소 모델에서 0에 가까운 불확실성 지수를 도출해, 초기값 정밀도를 크게 높여도 예측 가능성이 거의 나아지지 않음을 보였고, 시험한 심층 신경망, 최적화기, 학습 설정에서도 같은 징후를 찾았습니다.

신경망을 학습시켜 본 사람이라면 이 답답함을 압니다. 난수 시드를 고정하고, 데이터 순서를 고정하고, 결정성 옵션을 모두 켜도 결과가 바뀔 수 있습니다. 이전 연구에서는 파라미터 하나의 비트 하나만 바꿔도 일반적인 잡음원을 모두 합친 만큼의 편차가 생길 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. Nature Machine Intelligence에 실린 A. Ly와 P. Gong의 논문은 동역학계 이론에서 가져온 설명을 내놓는데, 정밀도를 높이면 문제가 풀릴 것이라 기대한 사람에게는 반갑지 않은 내용입니다.

제안된 메커니즘은 구멍 난 끌림 영역입니다. 가능한 모든 초기 가중치의 공간을, 학습이 결국 어느 해에 도달하는지에 따라 색칠했다고 상상해 보세요. 색이 깔끔한 경계로 나뉘어 있다면, 알려진 지점 가까이에서 시작할수록 결과를 예측하기 쉬워집니다. 하지만 구멍 난 영역에서는 한 해로 가는 모든 출발점이 다른 해로 가는 점과 임의로 가까이 있고, 어느 배율로 확대해도 마찬가지이며, 섞인 영역은 얇은 경계가 아니라 실제 부피를 가집니다. 이는 일반적인 카오스와 다릅니다. 카오스는 시간이 지나며 궤적이 벌어지게 만들지만, 이 현상은 출발점의 오차가 아무리 작아도 최종 결과 자체를 예측할 수 없게 만듭니다.

저자들은 최소한의 네트워크에서 이를 해석적으로 보이고, 0에 가까운 불확실성 지수를 도출했습니다. 초기화 정밀도를 크게 높여도 예측 가능성은 거의 나아지지 않는다는 뜻입니다. 이어 VGG, ResNet, BERT 구조, MNIST, CIFAR-10, IMDB 데이터, SGD, 경사 하강법, AdamW, 그리고 여러 정규화 방법과 활성화 함수를 아우르는 약 500,000개의 네트워크를 학습시켰고, 모든 경우에서 같은 특징을 발견했습니다. 또 이 지표를 가중치에서 네트워크가 배운 함수로 넓혀, 이 효과가 서로 다른 가중치가 같은 일을 하는 것에 그치지 않음을 보였습니다.

실무자에게 주는 교훈은 결과를 보고하는 방식에 관한 것입니다. 아주 작은 변화로도 학습이 다른 해로 갈 수 있다면 학습 한 번의 결과는 일화에 불과하며, 모델이나 방법 간 비교는 여러 번 실행한 결과의 분산을 보여 줘야 합니다. 이 연구는 실행마다 줄일 수 없는 편차, 성능과 재현성 사이의 상충 관계처럼 따로 보고돼 온 현상들에 공통된 설명도 제시합니다.

한계는 분명히 밝혀져 있습니다. 저자들은 이 현상을 모든 네트워크에 대한 증명이 아니라 후보 조직 원리라고 부르며, 심층 네트워크에서의 근거는 완전한 해석적 도출이 아니라 이와 맞아떨어지는 특징입니다. 실험은 비교적 작은 벤치마크 과제를 썼으며, 막대한 비용으로 단 한 번 학습되는 오늘날의 초대형 언어 모델에도 같은 그림이 적용되는지는 여기서 보여 주지 않습니다. 논문은 동료 심사를 거친 공개 접근 논문이며 원본 데이터도 공개돼 있습니다.

결론: 이것이 맞다면 시드 고정이나 결정론적 실행 설정만으로는 재현 가능한 학습을 보장할 수 없으며, 평가에서는 단일 결과 대신 여러 번 실행한 편차를 보고해야 합니다. 저자들은 이를 모든 신경망에 대한 증명이 아니라 유력한 설명 후보로 제시합니다.

출처: Nature Machine Intelligence

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