Introduction aux réseaux de neurones

S’inspirant du fonctionnement des neurones du cerveau, les réseaux de neurones artificiels sont définis dans les années 1940. Le perceptron est introduit en 1957, puis le perceptron multicouche en 1986. Ils ont disparu de l’actualité pendant une période avant de revenir au premier plan dans les années 2000 avec les réseaux de neurones profonds.

Le neurone artificiel est présenté avec les différentes fonctions d’activation. Le fonctionnement du perceptron monocouche est présenté avec les exemples d’implantation des fonctions logiques OU et ET ainsi que ses limites. Les caractéristiques des perceptrons multicouches sont détaillées avec notamment les principes de la rétropropation de gradient qui permet la mise à jour des poids des neurones des différentes couches.

Les réseaux de neurones profonds ont marqué une étape décisive dans le développement et l’utilisation des réseaux de neurones. Les réseaux de neurones convolutionnels (CNN) sont détaillés ; les couches convolution et pooling précédant les couches complètement connectées qui permettent de restreindre les tailles de données en extrayant les caractéristiques spatiales simples (comme des contours) que les couches suivantes combinent pour former des concepts plus complexes et abstraits : assemblage de contours en motifs, de motifs en parties d’objets, de parties d’objets en objets, etc. C’est ce qui permet d’utiliser des milliers de configurations différentes en entrées du réseau. Les caractéristiques de réseaux récurrents, permettant la reconnaissance de séquences d’entrée, sont également présentées.

L’implantation des réseaux de neurones a des aspects logiciels et matériels :

• programmation. Des bibliothèques logicielles comme TensorFlow, Caffee, Torch et PyTorch sont utilisables sur ordinateurs avec CPU multicœurs sans ou avec GPU. Les différentes opérations sont définies sous forme d’un graphe : l’exécution du programme place les différentes opérations sur CPU, GPU ou tout autre processeur ou accélérateur spécifique et définit les méthodes pour leur exécution ;

• support matériel. Des opérateurs matériels spécialisés (convolution, pooling) sont disponibles sous forme d’IP pour les systèmes sur puce (SoC) ; des processeurs neuronaux sont disponibles (processeurs neuronaux d’ARM, TPU de Google). Par ailleurs, des formats de données réduits comme les flottants 16 bits sont intégrés dans des processeurs neuronaux ou GPU pour réduire l’empreinte mémoire et la consommation et accélérer les calculs.

Les réseaux de neurones sont de plus en plus utilisés dans les applications embarquées. Les contraintes des composants embarqués impliquent de réduire et d’optimiser les réseaux utilisés. Quatre techniques sont possibles :

• simplification/optimisation du réseau : diminuer le nombre de couches pour diminuer le nombre de paramètres ;

• élagage (pruning) : réduire la taille d'un réseau en supprimant certains de ses paramètres ;

• quantification : utilisation de formats de données réduits (entiers 8 bits (INT8) voire 4 ou 3 bits) sans perte de précision ;

• distillation des connaissances (knowledge distillation) : un gros réseau est d’abord entraîné, puis utilisé pour « enseigner son savoir » à un réseau de plus petite taille.

Dans de nombreux domaines (reconnaissance d’images, traduction automatique, séries temporelles, etc.), les réseaux de neurones sont plus efficaces que les processeurs généralistes. On les trouve aux différents niveaux d’utilisation de l’apprentissage profond : serveurs du nuage, serveurs au bord (edge servers), composants utilisateurs jusqu’aux composants de l’Internet des Objets (IoT).