10.01.2020

#unchAIn, Teil 3: Was ist Machine Learning und Deep Learning?

Für die Artikelreihe "#unchAIn - Demystifying AI" kooperiert der brutkasten mit dem Expertinnen-Netzwerk Ms. AI, um Vorurteile rund um Künstliche Intelligenz zu entmystifizieren. Expertinnen beantworten dazu die großen Fragen rund um das Thema KI. Teil 3: Was ist Machine Learning und Deep Learning?
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Künstliche Intelligenz (KI): Was ist Machine Learning? Was ist der Unterschied zu Deep Learning?
(c) Adobe Stock - zapp2photo

KI (Künstliche Intelligenz) ist das vielleicht wichtigste Tech-Thema unserer Zeit. Es gibt wohl keinen Bereich des politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Lebens, der nicht das Potenzial hat, von KI grundlegend verändert zu werden. Gleichzeitig gibt es bei diesem Thema viele Falschinformation und überzogene Erwartungen. Für das Projekt „#unchAIn – Demystifying AI“ kooperiert der brutkasten mit dem internationalen Expertinnen-Netzwerk Miss AI, um gängige, teils falsche Vorstellungen zu entmystifizieren. Expertinnen und Experten der jeweiligen Felder – von Philosophinnen über Wissenschaftlerinnen bis zu Managerinnen – beantworten dabei in einer mehrteiligen Artikelreihe die großen Fragen zum Thema Künstliche Intelligenz, Machine Learning, Deep Learning und Co.

+++Mehr zum Thema AI & DeepTech+++

Im ersten Teil der Serie behandelten wir die Frage, was eigentlich Intelligenz (ganz allgemein) ist. Im zweiten ging es darum, ob Maschinen das menschliche Gehirn 1:1 kopieren können. Im dritten Teil widmen wir uns nun zwei der gängigsten Tech-Begriffe im Zusammenhang mit KI: Was ist Machine Learning? Und was ist Deep Learning? Und wie unterscheiden sich die beiden? Die Programmiererin und Mathematikerin Donata Petrelli un der Chatbot-Pionier Denis Rothman wählten bei der Beantwortung dieser Fragen sehr unterschiedliche Zugänge.


Bisher in der Serie „#unchAIn – Demystifying AI“ erschienen:


Was ist Machine Learning?

Petrelli: Die meisten haben als Kind wohl das Spiel „Blinde Kuh“ gespielt? Man ist mit verbundenen Augen in einem ausreichend großen Raum und muss es schaffen, die anderen im Raum zu finden und zu erkennen. Dabei hat das Kind mit verbundenen Augen keine Hinweise darauf, wo die anderen Kinder sind. Wenn es sich durch den Raum bewegt, muss es durch Tasten und Probieren die Umgebung verstehen, und letztlich die Mitspieler finden und erkennen. Machine Learning ist genau so ein Prozess, wie ihn das Kind mit verbundenen Augen im Raum durchführt.

Und um es etwas technischer zu definieren: Das maschinelle Lernen macht heute einen großen Teil des Bereichs Künstliche Intelligenz aus. Es umfasst mehrere Methoden zur Analyse und Erkennung von Daten und deren Beziehungen zueinander – oft zu Vorhersagezwecken. Alle diese Verfahren haben das Ziel, ohne initiale Kenntnisse sondern durch Erfahrung, eine Umgebung mit ihren Elementen und den Beziehungen zwischen ihnen, zu erkennen. Zu den bekanntesten Verfahren gehört das Modell der künstlichen neuronalen Netze, die die Struktur des menschlichen Gehrins simulieren.

Rothman: Machine Learning ist ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz. Nicht Machine Learning-basierte Algorithmen sind im Allgemeinen regelbasiert. Also etwa:

wenn X dann Y

Sowohl X als auch Y enthalten dabei viele Werte wie etwa ein Set von Daten. Das maschinelle Lernen kann die richtigen Werte „lernen“, um ein Ergebnis zu produzieren. Dabei gibt es keine Regel! Wir wollen etwa die Lösung finden für die Gleichung:

Y=aX + b

Wir müssen also die Werte von a und b finden, um die Gleichung lösen zu können. Daher probieren wir alle möglichen Werte von a und b aus. Das passiert oftmals nach dem Zufallsprinzip, um zu sehen, welche Werte am besten passen. Da wir leistungsstarke Computer haben, funktioniert das auch. Wir benutzen dazu viele Arten von Algorithmen, etwa Clustering und Regression. Jeder Algorithmus f sucht dabei nach den richtigen Werten, nach dem Prinzip:

f(Y)=aX+b

Die jeweiligen Algorithmen können dann jeweils für bestimmte Aufgaben genutzt werden, etwa eine Vorhersage, ob es nächste Woche regnen wird oder was die beste Route ist, um von Ort A nach Ort B zu gelangen usw.

Und was ist der Unterschied zu Deep Learning?

Rothman: Deep Learning ist wiederum ein Teilbereich des maschinellen Lernens. Es erweitert das Prinzip um „Layers“. Man kann es in Fällen nutzen, wo die Ermittlung des Werts Y schon deutlich komplexer ist. Nehmen wir dazu wieder eine Funktion f heran, wo es nun aber viele Schritte gibt:

f(Y)= f5(f4(Xf(3Xf(2Xf(X))

Das wirkt etwas verrückt? Als Mensch macht man das aber jeden Tag. Wenn man etwa gebeten wird, ein Gesicht in einem Bild mit 30 Gesichtern zu finden (wie z.B. auf einem Klassenfoto), dann macht man (unbewusst) ungefähr folgendes:

  1. Man versucht, die Gesichter vom Hintergrund zu isolieren.
  2. Dann sieht man sich die Form der Gesichter an.
  3. Dann die Farbe der Gesichter.
  4. Dann auch die Größe einer Person.
  5. Dann trifft man endlich eine Entscheidung und sagt: „Das ist die Person, die ich suche!“

Deep Learning tut dies automatisch, indem es die jeweils richtigen Werte von a und b findet, um jede Schicht von f(Y)=aX + b zu ermitteln.

Petrelli: Deep Learning ist eine Verstärkung der Methoden des Machine Learning, insbesondere der neuronalen Netze. In diesem Fall ist das Modell ausgefeilter, da die Resultate das Ergebnis der Ausarbeitung strukturierter Konzepte sind, die sich aus den Basis-Konzepten ableiten.

Um eine Analogie zu bringen: Die Gewinnung von Informationen durch ein Deep Learning-Modell im Vergleich zu einem Machine Learning-Modell ist wie jene eines Erwachsenen verglichen mit jener eines Kindes, das noch weitere Entwicklungsstufen vor sich hat.

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Wirtschaftsminister Wolfgang Hattmannsdorfer und Innovationsminister Peter Hanke (Archivbild) | (c) BKA/Paul Gruber
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Sie wird regelmäßig als möglicher Hebel genannt, um Startups abseits von klassischen Förderungen staatlich zu unterstützen: die öffentliche Beschaffung. Gleichzeitig wird kritisiert, dass diese oft nicht die kommunizierten Zielsetzungen, etwa in der Stärkung der heimischen Innovationslandschaft, widerspiegelt. Das will die österreichische Bundesregierung nun mit einem „nationalen Aktionsplan Strategische Öffentliche Beschaffung“ ändern, der bis Jahresende unter Federführung von Wirtschafts- und Innovationsministerium ausgearbeitet werden soll.

Öffentliche Auftraggeber stärker als Erst- und Referenzkunden für Startups etablieren

Der Aktionsplan soll „als Handlungsleitfaden für den Bund, seine Beteiligungen sowie weitere öffentliche Auftraggeber dienen“. Ziel sei es, Innovation, Wettbewerbsfähigkeit, Nachhaltigkeit und europäische Wertschöpfung stärker in Beschaffungsprozessen zu verankern. Ein besonderer Schwerpunkt liege darauf, öffentliche Auftraggeber stärker als Erst- und Referenzkunden für innovative Unternehmen und Startups zu etablieren. Damit sollen „neue Technologien schneller zur Marktreife gelangen und zusätzliche Impulse für Wachstum und privates Kapital entstehen“.

Hanke: „Das Billigstbieterprinzip ist in dieser Form nicht mehr zeitgemäß“

Innovationsminister Peter Hanke führt aus: „Mit rund 70 Milliarden Euro jährlich verfügt der Staat über enorme Gestaltungskraft. Diese wollen wir künftig gezielt einsetzen, um Innovationen schneller in die Anwendung zu bringen, die Wettbewerbsfähigkeit unseres Standorts zu stärken und europäische Souveränität auszubauen.“

Hier gelte es neue Wege zu gehen: „Das Billigstbieterprinzip ist in dieser Form nicht mehr zeitgemäß. Wir brauchen eine Beschaffung, die europäische Souveränität und Innovationskraft in den Vordergrund stellt“, so Hanke. Der Staat soll dabei „als Ankerkunde vorangehen“ und innovativen Unternehmen die Möglichkeit geben, ihre Lösungen erstmals im Markt einzusetzen. „Das stärkt unsere Startups, schafft heimische Wertschöpfung und macht Österreich technologisch unabhängiger“, meint der Minister. Bundesbeteiligungen wie die ÖBB und ASFINAG seien dabei bereits Vorreiter. Ziel sei es, dass die Republik ihre Rolle als Eigentümer konsequenter ausbaue.

Und Wirtschaftsminister Wolfgang Hattmannsdorfer ergänzt: „Der Staat soll nicht nur einkaufen, sondern Innovationen den Weg in den Markt ebnen. Wenn die öffentliche Hand als Erst- und Referenzkunde vorangeht, schaffen wir Marktchancen für heimische Unternehmen, stärken europäische Wertschöpfung und machen aus Innovation schneller wirtschaftlichen Erfolg. Genau diesen Paradigmenwechsel treiben wir jetzt voran.“

Spinoff-Gründungen als konkrete KPI für „Austrian Quantum Cluster“

Zeitgleich geben die beiden Minister per Aussendung auch ein Update zu weiteren Maßnahmen im Bereich der in der Industriestrategie 2035 (brutkasten berichtete) definierten Schlüsseltechnologien. In der AI Factory Austria seien demnach 53 von insgesamt 80 Millionen Euro Projektkosten als Investition in einen Supercomputer vorgesehen, der kommendes Jahr in Wien in Betrieb gehen soll.

Zudem nennen die Ministerien einige KPIs für den „Austrian Quantum Cluster“, in den heuer 30 Millionen Euro aus dem Fonds Zukunft Österreich fließen (brutkasten berichtete). Demnach soll der „erste Megacluster Österreichs“ unter der Ägide von aws (Austria Wirtschaftsservice), FFG (Forschungsförderungsgesellschaft), CDG (Christian Doppler Forschungsgesellschaft) und FWF (Wissenschaftsfonds) etwa mindestens fünf Spinoffs hervorbringen und mindestens acht Millionen Euro Folgeinvestitionen für Startups bzw. Scaleups hebeln. „Wir wollen Quantentechnologie nicht nur erforschen, sondern in Österreich entwickeln, produzieren und vermarkten. Unser Ziel ist klar: Aus Spitzenforschung soll Spitzenindustrie werden“, kommentiert Hattmannsdorfer. Dabei setze man auf „Fokus statt Gießkanne“.

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