本月早些時候，OpenAI宣布已經(jīng)建成史上最大的人工智能模型，該模型規(guī)模驚人，被命名為“GPT-3”，是一項令人印象深刻的技術(shù)成就。然而，它卻凸顯了人工智能領(lǐng)域的一個隱患。

現(xiàn)代人工智能模型需要消耗大量能量，并且這些能量需求正以驚人的速度增長。在深度學(xué)習(xí)時代，產(chǎn)生一流的人工智能模型所需的計算資源，平均每3.4個月翻一番;這意味著，能量需求在2012年至2018年之間增加了300,000倍。而“GPT-3”只是這種指數(shù)級增長軌跡上的一個最新節(jié)點(diǎn)。

深度學(xué)習(xí)模型真的越大越好嗎?

在今天，人工智能的碳足跡是有意義的，而如果這個行業(yè)趨勢繼續(xù)下去，情況將很快變得糟糕得多。除非我們愿意重新評估并改革當(dāng)今的人工智能研究方向，否則，人工智能領(lǐng)域可能會成為我們在未來幾年中應(yīng)對氣候變化的對手。

GPT-3很好地說明了這種現(xiàn)象。該模型包含多達(dá)1750億個參數(shù)。如何理解這個數(shù)字呢?不妨參考一下它的前身模型GPT-2，它在去年發(fā)布時被認(rèn)為是最先進(jìn)的，GPT-2只有15億個參數(shù)。去年GPT-2的訓(xùn)練耗費(fèi)了數(shù)十千兆次/天，這個計算輸入的數(shù)量已經(jīng)非常龐大了，而GPT-3需要的數(shù)量可能是GPT-2的好幾千倍。

依靠越來越大的模型，來推動人工智能技術(shù)進(jìn)步，這種做法的問題在于，構(gòu)建和部署這些模型需要大量的能源消耗，并因此產(chǎn)生碳排放。

在2019年一項被廣泛討論的研究《Energy and Policy Considerations for Deep Learning in NLP(NLP深度學(xué)習(xí)的能源和政策考慮)》中，由Emma Strubell領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，評估了訓(xùn)練單個深度學(xué)習(xí)模型的能量消耗，這個數(shù)值可能高達(dá)626,155磅的二氧化碳排放量——約相當(dāng)于五輛汽車在整個生命周期內(nèi)的碳足跡。相比之下，一個普通的美國人每年產(chǎn)生的二氧化碳排放量大約是36,156磅。

可以肯定的是，這項評估針對的是能耗特別高的模型。如今，訓(xùn)練一個普通規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)模型產(chǎn)生的碳排放量應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于626,155磅。

同時值得注意的是，在進(jìn)行這項分析時，GPT-2是當(dāng)時可供研究的、最大的模型，研究人員將其視為模型大小的上限。可僅僅一年之后，GPT-2看上去很袖珍了，比它的后繼產(chǎn)品小了一百倍。

那么，機(jī)器學(xué)習(xí)模型到底為什么會需要消耗這么多的能量呢?

第一個原因是，用于訓(xùn)練這些模型的數(shù)據(jù)集的大小在不斷地膨脹。在2018年，BERT模型在使用了30億個單詞的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練之后，實(shí)現(xiàn)了同類中最佳的NLP(自然語言處理)性能。XLNet使用了320億個單詞的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并且在性能上超過了BERT。不久之后，GPT-2接受了400億個單詞的數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練。而讓之前所有此類工作都相形見絀的是，GPT-3將使用一個包含5,000億個單詞的加權(quán)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。

在訓(xùn)練過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會針對輸入的每條數(shù)據(jù)，執(zhí)行一整套冗長的數(shù)學(xué)運(yùn)算(既包括正向傳播，也包括反向傳播)，并且以復(fù)雜的方式更新其參數(shù)。因此，更大的數(shù)據(jù)集，就會轉(zhuǎn)化為飛速增長的計算和能源需求。

導(dǎo)致人工智能巨大能量消耗的另一個原因是，開發(fā)模型所需要進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)和調(diào)校。今天的機(jī)器學(xué)習(xí)，在很大程度上仍然是反復(fù)試錯的練習(xí)。從業(yè)人員通常會在訓(xùn)練過程中針對給定模型構(gòu)建數(shù)百個不同的版本，在確定最佳設(shè)計之前，他們會嘗試不同的神經(jīng)體系架構(gòu)和超參數(shù)。

上述提到的那篇2019年研究論文中，描述了一個案例研究。研究人員們選擇了一個平均規(guī)模的模型——比GPT-3之類的博人眼球的龐然大物要小得多，并且不僅檢查了訓(xùn)練最終版本所需的能量，還測量了為了生產(chǎn)這個最終版本進(jìn)行的各種測試的總體能量消耗。

在六個月的過程之中，他們培訓(xùn)了4,789個不同版本的模型，總共需要花費(fèi)9,998天的GPU時間(超過27年)。考慮到所有這些因素，這些研究人員估計，構(gòu)建該模型總計要產(chǎn)生78,000磅的二氧化碳排放量，超過一個普通美國成年人兩年的碳排放量。

到此為止，這次討論還僅僅涉及了機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練環(huán)節(jié)。但是訓(xùn)練只是一個模型生命周期的起點(diǎn)。模型訓(xùn)練完成之后，就會在現(xiàn)實(shí)世界中得到應(yīng)用。

部署人工智能模型，讓它們在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中采取行動——這個過程被稱為推理，該過程的能耗比訓(xùn)練環(huán)節(jié)更高。實(shí)際上，英偉達(dá)公司(Nvidia)估計，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)80%至90%的能量消耗出現(xiàn)在推理環(huán)節(jié)，而不是訓(xùn)練環(huán)節(jié)。

例如，想想自動駕駛汽車中的人工智能。首先必須要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行培訓(xùn)，讓它學(xué)會駕駛。在訓(xùn)練完成并部署到自動駕駛汽車上之后，模型會不斷地進(jìn)行推理，才能在環(huán)境中行駛，只要汽車還在使用之中，這個過程就會日復(fù)一日地持續(xù)下去。

毋庸置疑，模型具有的參數(shù)越多，對這種持續(xù)不斷的推理的能量需求就越高。

能源使用和碳排放

既然提到了人工智能能量消耗和碳排放之間的關(guān)系。那么思考這種關(guān)系的最好方式是什么呢?

EPA數(shù)據(jù)顯示，在美國，一千瓦時的能耗平均會產(chǎn)生0.954磅的二氧化碳排放量。這個平均值，反應(yīng)了美國能源網(wǎng)中不同能量來源(例如可再生能源、核能、天然氣、煤炭)的相對比例和碳足跡的變化。

上述提到的那篇2019年研究分析，采用了全美國的平均值，以便根據(jù)各種人工智能模型的能量需求來計算碳排放量。這是一個比較合理的假設(shè)。例如，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司(Amazon Web Services)的電力來源組合，大致反應(yīng)了美國整體的電力來源，而且絕大多數(shù)的人工智能模型都是在云端進(jìn)行訓(xùn)練的。

當(dāng)然，如果使用主要由可再生能源產(chǎn)生的電力訓(xùn)練人工智能模型，那么碳足跡也會相應(yīng)地降低。例如，與AWS相比，谷歌云平臺(Google Cloud Platform)使用的電力結(jié)構(gòu)在可再生能源方面的比重更大。(上述那篇2019年研究論文顯示，兩家公司的這一比例分別為56%和17%。)

或者，舉另一個例子，如果在太平洋西北部的硬件上訓(xùn)練一個模型，所產(chǎn)生的碳排放量會低于其他國家，這是因?yàn)檫@一地區(qū)擁有豐富的清潔水源。而在這方面，每一家云服務(wù)提供商都在鼓吹自己在碳補(bǔ)償方面的投資。

總體而言，使用美國總體能源平均值，應(yīng)該可以大致準(zhǔn)確地估算出人工智能模型的碳足跡。

效益遞減

通過不斷變大的模型，追求人工智能進(jìn)步的做法，凸顯了模型規(guī)模和模型性能之間的關(guān)系。下列數(shù)據(jù)顯示得很清楚：模型規(guī)模的增加，最終會導(dǎo)致性能回報的急劇下降。

比如，ResNet是2015年發(fā)布的一個著名計算機(jī)視覺模型。該模型的改進(jìn)版本稱為ResNeXt，于2017年問世。與ResNet相比，ResNeXt所需的計算資源要多35%(以總浮點(diǎn)運(yùn)算來衡量)，準(zhǔn)確度卻只提高了0.5%。

艾倫人工智能研究所(Allen AI Institute)2019年的一篇論文提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，記錄了不同任務(wù)、模型和人工智能子領(lǐng)域中的效益遞減問題。與GPT-2相比，最新發(fā)布的大型模型GPT-3出現(xiàn)了明顯的效益遞減跡象。

如果人工智能社區(qū)仍然繼續(xù)沿著當(dāng)前的研究方向前進(jìn)，就會不斷的構(gòu)建越來越大的模型，耗費(fèi)越來越多的能源，以實(shí)現(xiàn)越來越小的性能提升。任何成本/收益分析都會變得越來越比例失調(diào)。

既然存在效益遞減的問題，又是什么在推動著模型不斷地朝著越來越大的方向發(fā)展呢?一個主要的原因是，當(dāng)前人工智能社區(qū)對獲取“最好的”性能基準(zhǔn)測試結(jié)果非常關(guān)注。構(gòu)建一個新模型，能夠在性能基準(zhǔn)測試中創(chuàng)下新的準(zhǔn)確性記錄，即便成績提升僅僅是微不足道的一點(diǎn)，也可以贏得研究人員的認(rèn)可和好評。

正如加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的教授Guy Van den Broeck所說：“我認(rèn)為對這種情況的一個最好的比喻，就是某個富油的國家能夠建造一座很高的摩天大樓。當(dāng)然，建造這樣的東西需要花很多錢，還有很多的工程工作。你也確實(shí)可以在建造這座高樓的時候，獲得‘最先進(jìn)的技術(shù)’。但是……這件事在本質(zhì)上并沒有什么科學(xué)上的進(jìn)步。”

在當(dāng)前的人工智能研究領(lǐng)域，占據(jù)主導(dǎo)地位的“越大越好”思路，可能會在未來幾年對環(huán)境造成重大的破壞。需要在這個領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行思慮周詳?shù)执竽懙淖兏铮屓斯ぶ悄芗夹g(shù)的發(fā)展變得更加可持續(xù)，并更具生產(chǎn)力。

展望未來

首先，每一位人工智能從業(yè)人員都應(yīng)該考慮，如何在短期內(nèi)“快速制勝”，以減輕其研究對碳足跡的影響。

重要的第一步是，提高這個問題的透明度和度量程度。當(dāng)人工智能研究人員們發(fā)布新模型的結(jié)果時，除了性能和準(zhǔn)確性指標(biāo)之外，他們還應(yīng)該公布在模型開發(fā)中消耗了多少能量的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過深入徹底的分析，艾倫人工智能研究所的團(tuán)隊建議，將「浮點(diǎn)運(yùn)算」作為研究人員追蹤的最通用、也是最有效的能效度量標(biāo)準(zhǔn)。另一組研究人員創(chuàng)建了一個機(jī)器學(xué)習(xí)排放計算器，從業(yè)人員可以使用這個計算器來評估他們構(gòu)建的模型的碳足跡(根據(jù)硬件、云服務(wù)提供商和地理區(qū)域等因素)。

遵循這些思路，綜合考慮能源成本和性能收益的做法，將成為研究人員們在訓(xùn)練模型時的最佳實(shí)踐。明確地量化這種關(guān)系，將促使研究人員在面對效益遞減問題時，對資源分配做出更明智、更平衡的決定。

隨著可持續(xù)人工智能實(shí)踐的擴(kuò)散，希望人工智能社區(qū)能夠在評估人工智能研究的時候，開始考慮這些效率指標(biāo)，就像今天我們對傳統(tǒng)性能指標(biāo)(例如準(zhǔn)確性)采取的做法一樣：在會議論文提交、演講、學(xué)術(shù)角色中考慮它們。

還有一些已經(jīng)相對比較成熟的方法，能夠幫助人工智能技術(shù)在近期減少碳足跡：使用更有效的超參數(shù)搜索方法、減少訓(xùn)練過程中不必要的實(shí)驗(yàn)次數(shù)、使用更高能效的硬件等。

但是，單靠這些補(bǔ)救措施并不足以解決這個問題。人工智能領(lǐng)域需要更根本的長期轉(zhuǎn)變。

我們需要退后一步，并且承認(rèn)，僅僅依靠建立越來越大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非通往通用智能的正確途徑。我們需要推動自己去發(fā)現(xiàn)更優(yōu)雅、更有效的方法，來對機(jī)器中的智能進(jìn)行建模。我們正在持續(xù)不斷地同氣候變化進(jìn)行斗爭，這是一場關(guān)乎地球未來的戰(zhàn)爭。

在此引用人工智能傳奇人物、深度學(xué)習(xí)教父Geoff Hinton的話：“未來取決于那些‘對我所說的一切’都深表懷疑的研究生……我的觀點(diǎn)是將其全部拋棄并重新開始。”

人工智能社區(qū)必須開始致力于開創(chuàng)人工智能的新范例，這些范例應(yīng)該既不需要指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)集，也不需要龐大的能源消耗。小樣本學(xué)習(xí)(few-shot learning)等新興研究領(lǐng)域，都是有前途的途徑。

人類的大腦——智力的原始來源提供了重要的啟發(fā)。和當(dāng)今的深度學(xué)習(xí)方法相比，我們大腦的效率高得不可思議。它們只有幾磅重，大概只需要20瓦左右的能量消耗，這個能耗只能夠給昏暗的燈泡供電。然而，它們代表了已知宇宙中最強(qiáng)大的智力形式。

人工智能研究人員Siva Reddy指出：“人類的大腦用很少的能量消耗，就能夠完成令人驚嘆的事情。問題是我們?nèi)绾谓ㄔ斐鲞@樣的機(jī)器來。”