他让人工智能有了“长短期记忆”

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他让人工智能有了“长短期记忆”

4月前

6.30‍‍‍‍‍‍‍

知识分子

The Intellectual

德国计算机科学家Jürgen Schmidhuber。来源：维基百科

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撰文丨张天蓉

他不是第一个赋予神经网络“记忆”的人，但他发明的长短期记忆网络（LSTM），使得神经网络有了较长而切实有用的记忆，LSTM早就被Google、苹果、Amazon、Facebook……，用于实现语音识别和翻译等等功能，如今，LSTM已经成为最具商业化的AI成就之一……

“长短期记忆”-LSTM之父

于尔根·施密德胡伯（Jürgen Schmidhuber，1963年1月17日—）是德国计算机科学家，他在德国慕尼黑工业大学完成了本科学业。2004年至2009年，他在瑞士卢加诺的瑞士意大利语区大学担任人工智能教授。2021年10月1日，施密德胡伯正式加入阿卜杜拉国王科技大学，担任人工智能研究院院长。

1991年开始，施密德胡伯指导他一位学生塞普·霍赫赖特的博士论文，研究了传统记忆型循环神经网络（RNN）存在的一些问题，这项研究导致他们在1997年，共同发表了一篇关于一种新型循环神经网络的论文[1]，他们将此类型称之为长短期记忆网络（LSTM）。

长短期记忆网络当时并没有很受到业界的重视，有关LSTM的第一篇论文被会议拒绝，被麻省理工学院退稿。不过在随后的多年中，长短期记忆网络被人们广泛采用，因为它解决了当时RNN循环神经网络的几个短板。

LSTM这种神经网络架构，后来成为2010年代研究和商业应用中各种自然语言处理任务的主导技术，尽管其主导地位后来又被具更强大功能的Transformer所取代，但仍然在AI技术中发挥着重要作用。施密德胡伯除了这个主要贡献之外，还在GPU上实现了卷积神经网络（CNN）的显著加速，使其比CPU上的等效实现快了60倍。他也在元学习、生成对抗网络等方面作出贡献[2]。

图1：施密德胡伯和LSTM

2018年，谷歌大脑研究科学家David Ha与施密德胡伯一起提出“世界模型”，这种可以让人工智能在“梦境”中对外部环境的未来状态进行预测的新方法，再次吸引了人们的注意。

虽然施密德胡伯对AI作出卓越贡献，但比起通常人们心目中的“深度神经网络三巨头”，也是2018年图灵奖三位得主：辛顿、杨立昆、本吉奥来说，他的知名度差很多，好像不怎么受人待见。有业界人士认为，是施密德胡伯自己的对抗性格导致他的重大成就被低估，而施密德胡伯本人呢，则一直对很多事都愤愤不平，认为他和其他研究人员在深度学习领域的贡献没有得到充分认可。施密德胡伯与前述三位图灵奖得主都不对劲，在2015年还写了一篇“严厉而尖刻”的文章，称他们三人大量引用对方文章，“未能赞扬该领域的先驱者”等等。之后，杨立昆否认这一指责而使双方产生了更多的争论。

不过，施密德胡伯也许有些性格上的缺点，但无论如何，他仍然算是一名人工智能的先驱，被称为LSTM之父。

传统RNN循环神经网络

长短期记忆神经网络（LSTM）是一类改进了的循环神经网络（Recurrent Neural Network或RNN）。因此，我们首先简单介绍改进之前的RNN，或称它们为“传统的”循环神经网络。

人类有记忆，神经网络当然也需要记忆。不过，我们通常所指的前馈神经网络难以模拟记忆功能。前馈神经网络（图2a）是应用最广泛、发展最迅速的人工神经网络结构，在深度学习时代的各个应用领域，都发挥了重要作用。

2001年，本吉奥等人将概率统计方法引入神经网络，提出了第一个神经网络的语言模型。该模型使用前馈神经网络进行语言建模，用n个单词的向量作为输入，通过隐藏层可以预测下一个单词可能的概率分布。这一工作为神经网络在自然语言处理（NLP）领域的应用奠定了基础。

图2：前馈神经网络和循环神经网络的信息流

自然语言处理（NLP）旨在让计算机能够理解和生成人类语言。语言是一种时间序列数据，是按照时间先后排列成的一个集合。人工神经网络在处理如语言这类时间序列时，一个主要作用，是要了解每个输入项（词汇）的后期影响和预测未来可能出现的（词汇）。

循环神经网络（RNN）就是对人类记忆能力进行最简单模拟的神经网络，见图2b。

随着深度学习的发展，RNN开始在NLP领域崭露头角。从图2可见，前馈网络中各神经元分层排列，每个神经元只与前一层的神经元相连，接收前一层的输出，并输出给下一层，各层间没有反馈。也就是说，前馈网络的信息是从输入到输出一直“向前走”。而RNN网络不同，它与前馈网络的区别是引入了循环结构，它产生输出，复制输出并将其循环回网络。这种反馈的方式使RNN模型有了内部记忆，使它能够更方便地处理数据序列中前后项之间的关系。图2a和图2b说明了前馈神经网络和RNN之间的信息流的差异。

在前馈神经网络中，信息流从来不会触及一个节点两次，说明他们对以前收到的输入是没有记忆的，因此也不容易预测接下来会发生什么。就是说，前馈网络只考虑当前的输入，因此没有时间顺序的概念，而循环神经网络的状态，不仅受输入状态的影响，还受前一时刻状态的影响。因此，循环神经网络具有一定的记忆能力，会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中。它们是具有内部存储器的算法，因而能在连续数据中产生预测结果。

以下例子可以解释RNN的记忆概念：假设你有一个前馈神经网络，你给它逐字输入一句话“蛋糕糖很甜”，当它处理了前面3个字之后，它已经把它们忘记了，因此，在处理“很”字时，它很难预测到接下来出现的是“甜”字，而有记忆的RNN则极有可能作出准确的预测。

为了更好地解释RNN是如何工作的，我们将RNN画成如图3所示（输入输出）从下向上的样子。并且，将RNN的工作过程按时间顺序展开成图3（等号右边）的序列。

展开的RNN序列中，信息逐步地从一个时间步传递到下一个时间步。因此，RNN也可以被看作是一个网络序列，例如图3中等号之后的5个神经网络，按时间顺序串在一起。

图3：RNN网络按其输入展开成时间序列

由图3可见，RNN在每个时间点都有两个输入，现在的和上一次的。即使是这“一次记忆”，也让RNN可做其他算法无法做的“预测”，例如看见“糖”和“很”两个字，基本可以预测下一个字是“甜”！

有了图3的展开也容易理解：RNN网络可以和前馈网络类似地利用“深度学习”及通过梯度下降和反向传播来调整权重参数，对逐个网络层进行训练。只是，这儿的所有概念都是相对于“时间步”而言的。

RNN的短板

从以上对传统RNN的描述，也不难看出它的弱点：记忆延续的时间太短了！例如上述例子中，只能记住上一步的。这个缺点，用AI的术语来说，叫做“长期依赖问题”。就是说，传统循环神经网络很难处理长距离的依赖关系，因为它们只具有“短期记忆”。

比如，给RNN输入一段较长的话：“去年我到重庆，学会了做川菜，特别喜欢吃重庆的辣子鸡和水煮牛，此外，我还在那儿学会了中文，跳中国舞唱国语歌，在那儿生活了半年，高兴极了，因此我今天在美国餐馆吃到这个菜，一点都不觉得【__】。”，很难预测【__】里面的词是什么？我们（人）一看就知道应该是“辣”！但RNN难以预测，因为相关的信息隔得太远了。

换言之，RNN难以分析输入数据与长时间步以后的信息关联，也无法靠“学习”来增强预测的能力。在理论上，通过调整参数，RNN是可以学习到时间久远的信息的。但是，实践中的结论是，RNN无法学习到久远之前的信息，长期记忆的学习过程对RNN失效。

为什么学都学不会呢？因为序列过长时，循环神经网络会出现“梯度消失”或者“梯度爆炸”的问题。对此我们简单地理解一下。

循环神经网络使用与前馈网络同样的方法进行“学习”，以此来调节网络的权重参数w。机器学习的过程中，用反向传播来计算目标函数对w的梯度。

简单而言，信息每传递一个时间步，信息的状态成为原来的W倍。那么，传递了n个时间步之后，信息状态是原来的Wn倍。一般来说，abs(W)<1，因此，当n很大时，Wn是非常小的一个数。这容易理解也基本符合人脑的事实。因为信息对后续状态的影响总是越来越小，最后几乎被遗忘。但人脑不同的是，同样的信息的反复刺激（学习）可以起作用。但RNN训练失效，因为非常小的Wn使得梯度值太小并且模型停止学习。这叫做“梯度消失”。

当算法赋予权重非常重要的值时，也会产生“梯度爆炸”，但这种情况较少。总的来说，RNN的梯度消失比梯度爆炸更难以解决。

长短期记忆LSTM

解决长期依赖问题有很多方法，其中霍赫赖特和施密德胡伯提出的长短时记忆网络（LSTM）[3]是比较常用的一个。

其实，长短时记忆网络的思路挺简单的。也就仍然是类比人类的记忆方式吧，我们经常听说有些人的长期记忆好，有些人短期记忆好，就是说，从生物学的角度看，人脑有长期和短期两种记忆类型。如前所述，传统RNN已经有了短期记忆的功能，那么，我们就再给他增加一个长期记忆的功能，问题不就解决了吗？

那我们就首先重温一下传统RNN的短期记忆功能：将图3中RNN展开后的网络结构画详细一点，显示于图4a中。传统循环神经网络的隐藏层只有一个状态h，在网络的每个时间步直接将它存起来，然后输入到下一个时间步，这就是短期记忆。

现在，LSTM的想法是再增加一个长期记忆状态c，并且，用一定的方式来控制c，让它保存较长时期的记忆。新增加的状态c，称为细胞单元（cell state）或记忆单元，见图4b。

图4：传统RNN与LSTM的结构比较

LSTM网络中，不仅引入了一个记忆单元c，还引进了3个门电路来控制它，如图4b。图4b的左图是3个门电路开关与记忆单元关系的逻辑示意图，右图则展示了LSTM更为详细的结构。

LSTM的第一个门叫做“遗忘门”：人脑除了有长期记忆之外，也有遗忘的功能。人并不需要记住所有经历过的，而是只保留重要的信息，这样才能减轻大脑的压力。有记忆就有遗忘，遗忘是记忆中的特殊功能。遗忘门的作用就是决定我们要从原来的记忆单元Ct−1中，丢弃（忘记）什么信息，保留什么信息。遗忘门通过Sigmoid激活函数，输出一个在0到1之间的数值给记忆单元状态Ct−1。1表示全保留，0表示全忘记，也有0、1间的中间值。

第二个是输入门，它决定是否将当前的即时输入信息，作为长久记忆送到Ct中。最后是输出门，它决定是否将当前Ct中的信息，输出到下一级网络。

因此，从传统的RNN到LSTM，保持了类似的循环结构，不过每一个“时间步”神经网络的结构元件从1个增加到了4个，包括一个记忆单元和3个控制门。

LSTM使RNN能够长时间记住他们的输入，解决了梯度消失的问题。这是因为LSTM将他们的信息包含在了内存（记忆单元C）中，这很像计算机的内存，因为LSTM可以从内存读取、写入和删除信息，三个控制门可以控制这些操作，AI的网络比普通计算机优越的是，它还具有学习的能力。

图5：门控循环单元（GRU）

图4b中显示的，是最典型的LSTM结构，实际应用中有很多改进，因而具有多种LSTM的变种。

例如2014年由Kyunghyun Cho 等人提出的门控循环单元[4]（Gated Recurrent Unit，缩写为GRU），如图5所示。GRU将遗忘门和输入门结合起来，成为“更新门”。同时把记忆单元状态和隐藏状态合并，研究发现，GRU在复音音乐建模、语音信号建模和自然语言处理等某些任务上的表现与LSTM 相似，但这样简化之后，参数比LSTM少，因此比标准LSTM更简单，也更受欢迎。