AI モデルは必要以上に計算負荷を強いているか
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IEEE Spectrum AI
テキサス大学オースティン校のLizy K. John教授らが、乗算を排除し検索テーブルを用いる「重みなしニューラルネットワーク」を開発し、従来比で1000倍高速・小型化を実現したと発表した。
AI深層分析を開く2026年8月4日 13:42
AI深層分析
キーポイント
重みなしニューラルネットワークの原理
従来の入力を学習済み重みで乗算する方式ではなく、バイナリ入力を通じた相互接続された検索テーブル(ルックアップ)を利用する新手法である。
劇的な性能向上の実証
同教授のチームはFPGA上で実装に成功し、タスクによっては従来のモデルより1000倍高速かつサイズが千分の一以下になることを確認した。
エネルギー効率への焦点
AIの膨大な電力消費問題に対処するため、GPUを必要とせず微小チップ上で動作可能な低消費電力なアーキテクチャを目指している。
将来の拡張可能性
現在は医療センサーやキーワード検出などの小規模課題に焦点を当てているが、将来的には現在のチャットボットを支えるトランスフォーマーモデルへの適用も視野に入れている。
省エネルギーと小型化の実現
体重なしニューラルネットワークは従来のモデルに比べて1000分の1のエネルギー消費で動作可能であり、サイズも14キロバイトと極めて小さい。これによりバッテリー駆動のセンサー上で処理が可能となり、データ送信の必要性がなくなるためプライバシー保護にも寄与する。
重要な引用
Instead of repeatedly multiplying inputs by weights, these networks pass binary inputs through interconnected lookup tables
Depending on the task, she says, the networks can be less than a thousandth the size or 1,000 times as fast as conventional alternatives while maintaining comparable accuracy.
I was upset by how much power was consumed by AI, and my ears were open for other ways of doing it with less technology, less power.
In the lookup case, we're essentially looking up a zero or a one, saying go in this direction or don't. There are no 30-bit or 16-bit weights involved.
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編集コメント
乗算演算というAIの根幹をなす計算プロセスを見直し、検索テーブルによるアプローチで劇的な効率化を実現した点は極めて興味深い。特にGPU依存からの脱却とエネルギー効率の向上は、エッジAI時代の到来において重要な技術的転換点となり得る。
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現代の AI の多くは乗算に依存しています。生成された回答から写真の整理、音楽の推薦に至るまで、あらゆる分野で使われているニューラルネットワークは、入力と学習済みの重みを掛け合わせる数百万回、あるいは数十億回の演算を繰り返して動作しています。
テキサス大学オースティン校の電気・コンピュータ工学教授であるリジー・K・ジョン氏は、このやり方が実際には必要以上に過剰な作業だと考えています。
ジョン氏は過去 5 年間、「重みレスニューラルネットワーク」と呼ばれるモデルの開発に取り組んできました。入力と重みを繰り返し掛け合わせるのではなく、これらのネットワークはバイナリ入力を相互接続されたルックアップテーブル(参照表)に通します。これは同じ算術問題を何度も解くよりも、蓄積された回答集を参照する作業に近いアプローチです。
タスクによっては、従来の手法と比較してサイズが千分の 1 以下になったり、速度が 1,000 倍向上したりしながらも、同等の精度を維持できるとジョン氏は述べています。
彼女のチームの研究は現在、医療用センサーや活動量計測、キーワード検出といった小規模で特定の課題に焦点を当てています。しかし、彼女は同様のアプローチが将来的には、現在のチャットボットの背後にあるトランスフォーマーモデルなど、より大規模なターゲットにも応用できると考えています。
なぜあなたは最初から重みという概念を手放したのですか?ルックアップテーブルへと方向転換を促すような、特定の決定的な瞬間はありましたか?
数年前、友人が偶然にも週次ミーティングに私を誘い、「重み付けではなくルックアップを使う方法」について議論する場に参加させました。この手法自体は新しいものではありませんでした。1980 年代には英国のある企業がパターン認識のために実用製品を開発しましたが、その後姿を消してしまいました。
リオデジャネイロ連邦大学のフェリペ・M.G. フランカ教授とプリシラ・M.V. リマ教授が何年もこの研究を続けてきましたが、従来のニューラルネットワークに比べると研究グループは一つだけでした。友人は私がハードウェア実装の経験を持っていることを知っており、この技術を現実のものにするお手伝いができるだろうと考えてくれたのです。
以来、私はフランカ氏とリマ氏と共に研究を進めています。
友人が私のハードウェア実装の経験を知らせてくれたことで、彼はこの技術の実現を期待してくれました。私にはこれに取り組むのに最適な学生がいました。その学生は標準的なニューラルネットワークに対する代替案であるスパiking ニューラルネットワークの研究を行っていました。私が共通項として重視したのはエネルギー効率でした。
AI が消費する電力の多さに憤りを感じており、より少ない技術と電力で実現できる別の方法を探していました。
わずか 6 か月足らずで、FPGA(Field-Programmable Gate Array)上で動作させることに成功しました。これは基本的に市販のチップです。GPU を必要とせず、極めて小さなチップに収まるルックアップ方式を採用した非常に小型のニューラルネットワークを作成することができました。他の研究者が得ていた成果よりも 1,000 倍も小さくできるのです。これは大きな励みとなりました。
エネルギー効率の高いウェイトレス・ニューラルネットワーク
なぜ今、重みを持たないニューラルネットワークに注目すべきなのか
ジョン:現在の AI モデルについて考えると、その能力の凄まじさに驚かされます。ChatGPT を使うたびに感心しますが、時折間違いを犯すこともあります。しかし、文の次の単語を生成する際、そこには数百万、あるいは数十億回の乗算処理が行われています。一方、私が質問に答えるとき、乗算など行いません。「はい」「いいえ」と考えたり、「これは言うべきか、言わないべきか」を検討したりしています。人間の脳は、その作業にわずか 20 ワットのエネルギーしか消費しません。
現在、最も普及しているネットワークの背後にあるモデルは、1943 年の論文で提案されたニューロンモデルを基盤としています。それが McCulloch-Pitts モデルです。業界はこのモデルを発展させ、数百万、数十億ものニューロンを追加して実用的な成果を得ました。しかし、それが「必要だった」というわけではありません。私の基本的な考え方はこうです。同じ答えに到達する、よりシンプルな方法があるかもしれません。
参照(ルックアップ)の場合、私たちは本質的に 0 か 1 を検索し、「この方向に進む」か「進まない」かを判断しています。30 ビットや 16 ビットの重みは関与しません。つまり乗算は行われません。エネルギーの大半を消費するのはまさにこの乗算処理です。なぜなら、ハードウェアにおいても人間の脳においても、乗算は非常にコストのかかる演算だからです。子供時代、誰もが九九の暗記に苦労しました。それは難しい作業なのです。
これまでにどのような成果を示すことができましたか?
John: 人間活動の認識や医療モニタリングなどのデータセットでは、体重ゼロ(weightless)のニューラルネットワークが、消費電力を従来の千分の之一的に抑えながら、その役割を果たすことができます。現在、スマートセンサーで行われている処理の多くは、生データを収集してサーバーやスマートフォンへ送信するだけで済ませています。これは、バッテリー駆動のパッチ上で処理を行うことができないためです。
私たちのネットワークは非常に小さく、センサーのすぐそばに設置することができます。私たちが調査した一つの課題において、既存で最も優れた小型 AI モデルでも 17 メガバイトを必要とします。一方、私たちのモデルはわずか 14 キロバイトです。これは、従来モデルより千倍以上小さいことを意味します。つまり、毎ミリ秒ごとに生データを転送する必要がなくなり、エネルギー消費の削減につながると同時に、プライバシー保護にも貢献します。なぜなら、データは一度もデバイスから外に出る必要がないからです。
また、キーワードスポッティング(keyword spotting)においても性能向上を示しました。これは、「Alexa」や起動ワードを認識する前にデバイスが行う聴取処理のことです。現在の業界で最も優れたモデルでは、推論ごとに 5,000 ナノジュール以上の電力を消費します。一方、私たちのモデルはバリエーションによって 42 から 79 ナノジュールで実行可能です。
医療モニタリングとチャットボット AI
もし明日、体重ゼロ(weightless)アーキテクチャが普及し始めたら、最初に何が変わるでしょうか?チャットボットですか?自動運転車ですか?それともスマートフォンですか?
ジョン:まず目指しているのは医療モニタリングです。例えば、患者の体に一週間貼るだけのシンプルな絆創膏に組み込むことで、高価な接続デバイスを必要とせずとも医師が状態を把握できるようにします。化学分野も対象領域の一つです。学生が実験を行い、そのデータをオフライン処理のためにゆっくり送信する現状では、途中で誤差が生じてしまいます。私たちは AI を実験の現場に直接配置し、リトマス紙を水に浸して青くなるのを即座に確認するような即時回答を実現したいと考えています。
チャットボットの改善にも役立てられるのでしょうか?現在、その取り組みを進めています。トランスフォーマーネットワークは、アテンション層と多層パーセプトロンを交互に繰り返す構造になっています。すでにネットワークの約半分を占める多層パーセプトロンの部分を置き換えることに成功しました。アテンション層はまだ置き換えていませんが、将来的には言語モデルも対象となるでしょう。
image この写真顕微鏡画像に映る不整脈検出器は、従来のチップにある数十億個の論理ゲートと比較して、わずか約 1 万個で動作します。UT サンアントニオ大学提供
チップ製造の新しい手法にも注目すべき点があります。私たちは、プラスチックでできた曲げ可能な基板に不整脈検出器を構築しました。この基板には約 1 万個の論理ゲートしか収容できませんが、現代の 2 ナノメートルや 5 ナノメートルのチップには数十億個ものゲートが搭載されています。従来のニューラルネットワークでは、このような小型デバイス上で動作させることは不可能です。しかし、私たちのモデルは元々非常に小さいため、その上でも実行可能です。さらに、この基板は製造プロセスにおいて水の使用量が標準的な半導体製造よりも少ないため、より持続可能でもあります。
こうした技術を実現するために、他のテクノロジーエコシステム全体に大きな変更が必要でしょうか?
John: いいえ、必要ありません。使用するデータは既存のモデルと同じもので構いません。むしろ、必要なデータ量は減る可能性があり、それが利点となります。現在でも学習プロセスは GPU 上で行われていますが、これは利用可能なコンピューターの中で最も高性能なためです。将来的には、FPGA ベースのハードウェア上で学習を行えるようになることを目指しています。FPGA にはすでに小さなルックアップテーブルが内蔵されているため、学習と推論の両方に自然に適合するからです。それまでの間、スタック内の他の部分に変更を加える必要はありません。
FPGA は 30 年以上もルックアップテーブルを活用してきましたが、市場におけるシェアは大きくありません。そのため、他の種類のプロセッサに関する話題の方がよく耳にします。AI の分野でも最近、乗算をいくつかの検索操作に置き換える研究が行われていますが、それらは通常、1 つの巨大なルックアップテーブルを使用しており、 ours のように多数の小さなテーブルを相互接続する方式とは異なります。まだ一般的ではありません。この手法を利用している人々はその優位性を知っていますが、まだ広く普及していませんでした。しかし、以前は切実な必要性はありませんでしたが、今ではそれが求められています。
トランスフォーマーに比べると、この分野に取り組んでいる人は圧倒的に少ない。なぜなのか、そしてどうすれば状況が変わるのか。
ジョン:何かうまくいっていて、そのやり方を続けられるコストがある場合、わざわざ変える理由が生まれにくいからです。これまでに成功を示せたのは、小さな問題やセンサー出力など限られた範囲に限られています。より大きな課題では、「単純すぎてスケーリングできない」と思われるため、人々は確信を持てないのが現状です。
私がこの話題で講演する際、カンファレンスや他の大学でも、真剣に耳を傾ける人は皆驚き、自分も取り組みたいと口々に言います。しかし、実際に興味を持って集まるのはごく少数の人々です。私の希望は、より大きな言語モデルでも成功を示せることで、多くの人がこの分野に参加してくれるようになることです。結局のところ、「可能であること」を実証することが重要なのです。
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Much of modern AI runs on multiplication. Neural networks behind everything from generated answers to photo organization and song recommendations perform millions or billions of operations that multiply inputs by learned weights. Lizy K. John thinks that’s more work than the job requires.
John, a professor of electrical and computer engineering at the University of Texas at Austin, has spent the past five years working on a class of models called weightless neural networks. Instead of repeatedly multiplying inputs by weights, these networks pass binary inputs through interconnected lookup tables—closer to consulting a collection of stored answers than solving the same arithmetic problem repeatedly. Depending on the task, she says, the networks can be less than a thousandth the size or 1,000 times as fast as conventional alternatives while maintaining comparable accuracy.
Her team’s work has so far focused on small, specific problems: medical sensors, activity tracking, keyword spotting. But she thinks the same approach could eventually reach much bigger targets, including the transformer models behind today’s chatbots.
What made you walk away from weights in the first place? Was there a specific moment that pushed you toward lookups instead?
Lizy K. John: A friend casually invited me to a weekly meeting a few years ago to talk about using lookups instead of weights, a technique that wasn’t new. Someone in the U.K. had built a commercial product around it in the ’80s for pattern recognition, and then it just disappeared. Professors Felipe M. G. Franca and Priscila M. V. Lima at the Federal University of Rio de Janiero kept working on it for years, just one research group, so not as much work as in the conventional neural networks. My friend knew I had hardware implementation experience, so he thought I could help make it real. I have been working with Franca and Lima since then.
My friend knew I had hardware implementation experience, so he thought I could help make it real. I had a student who I thought was perfectly positioned to take this on. He’d been working on spiking neural networks, another alternative to standard neural networks. The common thread for me was energy efficiency. I was upset by how much power was consumed by AI, and my ears were open for other ways of doing it with less technology, less power.
In less than six months, we had it running on an FPGA, basically a ready-made chip. We were able to create some very small neural networks that used the lookup methodology that could fit on tiny chips and didn’t need a GPU to run them. We could get them 1,000 times smaller than what everyone else was getting. That was encouraging.
Energy-Efficient Weightless Neural Networks
Why is now the time to look into weightless neural networks?
John: When you think about current AI models, it’s amazing what they do. I’m impressed by ChatGPT every time I use it, even though it gets things wrong sometimes. But when it’s coming up with the next word in a sentence, it’s doing millions or billions of multiplications to get there. If you ask me a question, I’m not doing multiplications to answer you. I’m thinking, yes, no, I should say this, I shouldn’t say that. And the human brain only consumes about 20 watts of energy doing that.
The model behind most popular networks today is based on a neuron model from a 1943 paper, the McCulloch-Pitts model. The industry took that and expanded it, millions and billions of neurons, to get something that works. But that doesn’t mean it’s needed. That’s my basic thinking. We may have a simpler way of coming up with the same answers.
In the lookup case, we’re essentially looking up a zero or a one, saying go in this direction or don’t. There are no 30-bit or 16-bit weights involved. So no multiplication, which is what takes all the energy, because multiplication is an expensive operation in hardware, and even for human minds. As children, we all struggled to learn the multiplication tables. It’s a hard operation!
What have you been able to demonstrate so far?
John: In datasets like human-activity recognition or medical monitoring, ECG, EEG, blood pressure, weightless neural networks can do the job at 1,000 times less energy use. A lot of processing on smart sensors today just collects raw data and sends it to a server or phone, because the processing can’t happen on a battery-powered patch.
Our network is small enough [that] it can sit right on the sensor. The best other small AI model for one problem we looked at is 17 megabytes. Ours is 14 kilobytes, more than 1,000 times smaller. That means no transmitting raw data every millisecond, which is both an energy save and a privacy win, since your data never has to leave the device.
We’ve also shown gains on keyword spotting, the kind of listening a device does before it recognizes “Alexa” or a wake word. The current best industry model takes more than 5,000 nanojoules per inference. We do it in 42 to 79, depending on the variation.
Medical Monitoring and Chatbot AI
If weightless architecture took off tomorrow, what would change first? Chatbots, self-driving cars, phones?
John: Our first target is medical monitoring, something as simple as a Band-Aid you put on someone for a week, so doctors can know what’s going on without an expensive connected device. Chemistry is another area we’re working in. Students run an experiment, then slowly send data out for offline processing, and there’s error introduced along the way. We want to put the AI right at the point of the experiment, so the answer comes back immediately, like dipping litmus paper and seeing it turn blue.
Can it help chatbots? We’re working on it. A transformer network alternates between an attention layer and a multilayer perceptron, over and over. We’ve already replaced the multilayer-perceptron part, which is about half of the network. We haven’t replaced attention yet. But eventually, yes, language models are a target.
image The arrhythmia detector in this photomicrograph requires only about 10,000 logic gates, compared to the billions on a conventional chip.UT San Antonio
There’s also an interesting angle with new kinds of chip manufacturing. We built an arrhythmia detector on a plastic, bendable substrate. That substrate can only fit about 10,000 logic gates, where a modern 2- or 5-nanometer chip fits billions. A conventional neural network can’t run on something that small. Ours can, because it’s so much smaller to begin with. That substrate is also more sustainable to manufacture: It uses less water than standard chipmaking.
Does the rest of the tech ecosystem need to change to make this work?
John: No. The data can be the same data current models use. If anything we may need less of it, which is an advantage. Training right now still happens on GPUs, just because they’re the most powerful computers available. At some point I’m hoping we can train on FPGA-based hardware instead, because FPGAs already have small lookup tables built into them, so it’s a natural fit for both training and inference. Until then, nothing else in the stack needs to change.
FPGAs have used lookup tables for more than 30 years, but it’s not a big segment of the market. You hear more about other kinds of processors. There have been some recent works in AI that substitute a few multiplications with lookups, but those tend to use one big lookup table, not many small ones interconnected to each other the way ours are. It’s not very common. Those who use it know it’s great; it’s just not popular yet. There wasn’t a dire need before. Now there is.
Far fewer people are working on this than on transformers. Why, and what would it take to change that?
John: I think it’s because when something works, and you can afford to keep doing it that way, there’s not enough reason to move away from it. So far, we’ve only been able to show this succeeding on small problems, sensor outputs and similar. For bigger problems, people don’t have the confidence it’ll work, because it seems too simple to scale.
Any time I give a talk on this, at conferences or other universities, anyone who pays attention is really impressed and wants to work on it. But that’s a small handful of people getting attracted here and there. My hope is that we can show it working on a larger language model, and that success might bring more people in. It’s a matter of showing it can be done. I’m hoping.
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