生成AIの解体新書：その仕組みを直感的に理解する

 

はじめに

人工知能（AI）技術は、私たちの日常生活や仕事のあり方を大きく変えつつあります。本記事では、AIの中でも特に注目を集めている生成AI技術について、その基礎から最新の応用まで幅広く解説します。

人工知能（AI）技術は、私たちの日常生活や仕事のあり方を大きく変えつつあります。本記事では、AIの中でも特に注目を集めている生成AI技術について、その基礎から最新の応用まで幅広く解説します。

生成AIとは、大量のデータから学習し、テキスト、音声、画像などの新しいコンテンツを自動で生成する技術です。このAIは、特にコンテンツ生成に革命をもたらしています。

まず、AIの歴史を振り返り、現代のAI技術の中核となるトランスフォーマーについて説明します。次に、トランスフォーマーを基盤とする大規模言語モデル（LLM）と、その応用を容易にするLangChainについて、さらに画像処理の分野に革新をもたらしたVision Transformerと、画像と言語を同時に処理できるVLM（Vision-Language Model）について分かりやすく説明します。

各技術については、専門的な説明の後に直感的にわかる解説を加えています。
これにより、技術的な背景を理解したい方から、AIの基本概念を学びたい初心者まで、幅広い読者に対応しています。
最後に、これらの技術がもたらす可能性と課題、そして私たちの生活にどのような影響を与えるかについて考察します。

生成AI技術の急速な進化が私たちの生活に与える影響を理解し、その活用方法を見極めることがこれからの社会でますます重要になります。この記事が、AIについての理解を深める一助となれば幸いです。

 

トランスフォーマーとは

トランスフォーマーとは、自己注意機構を用いた革新的な深層学習モデルです。
入力シーケンスの各要素間の関係を直接モデル化し、並列処理を可能にすることで、自然言語処理タスクにおいて高い性能を発揮します。エンコーダー・デコーダー構造や位置エンコーディングを採用し、長距離依存関係の捕捉や文脈理解を向上させています。

トランスフォーマーの誕生

人工知能（AI）の歴史は1950年代に始まり、当初は単純な規則ベースのシステムが主流でした。その後、機械学習の登場により、AIはデータから学習し、パターンを認識する能力を獲得しました。2000年代に入ると、ディープラーニングの発展により、AIの性能は飛躍的に向上しました。そして2017年、Googleの研究チームによって発表されたトランスフォーマーが自然言語処理に革命をもたらしました。
自己注意機構を核とするこの革新的なニューラルネットワークは、並列処理と長距離依存関係の捕捉を可能にし、機械翻訳や文章生成などのタスクで高い性能を示しました

技術的仕組み

トランスフォーマーは、文章の流れをつかんだり、新しい文章を作ったりするのが大変上手なAIの仕組みです。この優れた能力は、主に3つの特徴から成り立っています。

1. 文章の流れをつかむ能力
トランスフォーマーは、文章の中の言葉と言葉のつながりを見つけるのがとても得意です。例えば、「太郎はりんごを食べた」という文章があったとき、「太郎」「りんご」「食べた」という言葉がどんな順番で並んでいるか、そしてそれらがどうつながっているかをしっかりつかむことができます。

2. 自己注意機構
自己注意機構は、文章の中の大切な言葉に「注目する」能力のことです。例えば、「僕は赤いりんごが好きだ」という文章の流れをつかむとき、自己注意機構は次のように働きます。

• 「僕」という言葉に注目したとき、「好きだ」という言葉とのつながりを強く認識します。
• 「りんご」という言葉に注目したとき、「赤い」や「好きだ」とのつながりを強く認識します。

このように、言葉同士のつながりを見つけることで、文章全体の流れをより正確につかむことができます。

3. エンコーダー・デコーダー構造
この構造は、文章の流れをつかんで新しい文章を作り出す仕組みです。二つの部分が協力して働いているようなものだと想像するとわかりやすいでしょう。

　エンコーダー（文章を読んで覚える部分）

• 役割：文章を読んで、大切なところを記録します。
• 例：「こんにちは、元気ですか？」という文章を読むと、「あいさつをしている」「相手の調子を聞いている」という情報を記録します。

　デコーダー（新しい文章を書く部分）

• 役割：エンコーダーが記録した情報を見て、新しい文章を作ります。
• 例：エンコーダーが記録した情報を見て、英語で「Hello, how are you?」という新しい文章を作ります。

この二つの部分が協力して働くことで、トランスフォーマーは文章の流れをつかんで新しい文章を作ることができます。トランスフォーマーは、これらの仕組みを使って、文章の翻訳や要約、質問への回答など、さまざまな言葉の処理を行うことができます。人間の言葉の流れをより上手につかみ、自然な文章を作り出せるAIの開発に大きく貢献しているのです。

主なモデル

主なトランスフォーマーモデルには、BERT、GPT、T5があります。これらは様々な自然言語処理タスクで高い性能を示しています。

●BERT 
BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers)はGoogleによって開発され、自然言語理解タスクにおける性能向上に寄与しました。特に双方向の文脈理解が可能な点で、質問応答や文の埋め込みに優れた結果を示し、多くの応用がされています。

●GPT
GPT (Generative Pre-trained Transformer)シリーズはOpenAIが開発した生成モデルで、GPT-2、GPT-3、GPT-4などのバージョンがあり、特にテキスト生成タスクにおいて非常に高い性能を発揮しています。チャットボットやコンテンツ生成といった実用的な場面で広く知られています。

●T5
Googleが開発したT5(Text-To-Text Transfer Transformer)は、あらゆるNLPタスクをテキストからテキストへの変換問題として取り扱うモデルです。多様なタスクで高い性能を発揮し、他のモデルに比べて柔軟性が高いことから、研究や実務で頻繁に使用されています。

ディープラーニングとの違い

トランスフォーマーはディープラーニングの一種ですが、再帰型ニューラルネットワーク（RNN）や畳み込みニューラルネットワーク（CNN）とは異なり、処理の効率と性能が高い点が特徴です。
特に、並列処理ができるため計算が速く、大量のデータを同時に処理できます。
また、文章中の離れた単語同士の関係（長距離依存関係）をより正確に捉えることができ、自然言語処理などで優れた結果を出しています。

機械学習との違い

機械学習は広い概念であり、トランスフォーマーを含むディープラーニングもその一部です。機械学習には決定木や線形回帰といったシンプルなアルゴリズムもありますが、トランスフォーマーは多層構造と大量のパラメータを用いて、大規模なデータ内の複雑な関係を効果的に捉えることができます。

以下に機械学習、ディープラーニング、そしてトランスフォーマーの関係を示しておきます。

• 機械学習は、コンピュータにデータから学習させて、特定のタスクを実行できるようにする技術の総称で、線形回帰や決定木などの比較的シンプルなアルゴリズムから複雑なアルゴリズムまで幅広い手法を含みます。
• ディープラーニングは機械学習の一部門で、深層ニューラルネットワークを使用した学習手法です。
• トランスフォーマーはディープラーニングの手法の一つで、特に自然言語処理（NLP）や画像処理に有効な多層構造のニューラルネットワークモデルです。

LLMとは

 技術的仕組み

LLM（大規模言語モデル）は、トランスフォーマーアーキテクチャを基盤とする巨大な言語モデルです。

数十億から数千億のパラメータを持ち、膨大なテキストデータで事前学習されます。
自己回帰的な学習により、文脈を理解し次のトークンを予測する能力を獲得。
トークナイゼーション、位置エンベディング、レイヤー正規化などの技術を駆使し、言語の複雑な構造や意味を学習します。
Few-shot学習やZero-shot学習能力を持ち、様々なタスクに適応可能です。

LangChainとは

LLM（大規模言語モデル）は、非常に高度な言語処理を行うことができる一方で、実際にアプリケーションに組み込む際には多くの課題がありました。例えば、LLMはテキストの生成や質問への回答は得意ですが、複雑なタスクの流れを管理したり、外部の情報を取り入れて柔軟に応答したりするのは得意ではありません。ここでLangChainが重要になります。

LangChainは、以下の3つの主要なニーズに応えるために開発されました。

1. アプリケーション開発者向け：
   LLMを活用したアプリケーション開発を簡素化し、複雑な統合作業を効率化したいという要望がありました。
2. 情報の最新性と処理能力の向上：
   LLMの学習データの制限を超えて最新情報にアクセスし、長文処理や複雑な計算を行いたいというニーズがありました。
3. 外部データソースとの連携：
   LLMと外部データを組み合わせて、より正確で包括的な情報を得たいという要求がありました。

これらのニーズに応えることで、LangChainは多くのユーザーに採用されるようになりました。

 

 Langchainの構成要素

LangChainを構成する主な技術要素は以下の通りです。これらの要素が連携することで、LLMを実用的なアプリケーションに組み込み、柔軟に機能を拡張することが可能になります。

１，エージェント (Agents)
エージェントは、LLMが実行するべきタスクを動的に選択し、指示する役割を持ちます。例えば、ユーザーからの質問に応じて特定のデータソースにアクセスしたり、次に実行するべきアクションを選択したりする機能です。
２，プロンプトテンプレート (Prompt Templates)
プロンプトテンプレートは、LLMに送信する入力を柔軟に生成するためのテンプレートです。例えば、特定の質問形式や出力フォーマットを指定することで、LLMの応答を一貫したものにします。
３，メモリ (Memory)
メモリは、LLMが対話中に保持するコンテキスト情報を管理します。これにより、会話の流れを保持したり、過去の情報を元に応答を調整したりすることが可能です。
４，ツール (Tools)
ツールは、LLMが直接アクセスできない外部リソース（データベース、API、計算機能など）に接続し、必要な情報を取得するためのコンポーネントです。
５，チェーン (Chains)
チェーンは、複数のタスクやアクションを順番に実行するためのワークフローを構築する機能です。異なるモデルの応答を組み合わせて、一連のプロセスを自動的に実行するために使用されます。
６，データコネクタ (Data Connectors)
データコネクタは、LLMが外部データにアクセスし、インプットやアウトプットの処理を行うための機能です。

LangChainの発展と課題

LangChainの将来について、明るい側面と課題の両方から説明します。

明るい側面
LangChainは急速に発展しており、LLMの進化に合わせて成長を続けています。
LLMの応用範囲が広がるにつれ、LangChainの重要性も増していく可能性があります。特に、複雑なタスクの管理や多様なデータソースの統合において、LangChainは依然として価値を提供し続けると考えられます。

課題
GPT-4、GoogleのPaLM、AnthropicのClaudeなどの最新のLLMの進化により、LangChainの役割が一部代替される可能性も出てきています。

1. GPT-4は複雑なタスク処理と外部ツール利用の面で進化しており、中間フレームワークなしで直接処理できる範囲が拡大しています。
2. GoogleのPaLMは柔軟なプロンプト処理と多様なデータソース統合を実現し、より自然な対話形式での入力処理が可能になっています。
3. AnthropicのClaudeは高度な文脈理解と倫理的考慮を内部的に行うことができ、安全性チェックや倫理フィルターの機能をモデル自体が担えるようになっています。

これらのLLMの進化により、直接的な処理、統合的な機能、開発の簡易化、パフォーマンスの向上、コスト削減などの利点が生まれ、LangChainのような中間層フレームワークの必要性が減少する可能性があります。

LangChainの今後
しかし、LangChainも進化を続けており、より高度な統合機能や特定ドメインへの特化など、新たな価値を提供することで、その役割を維持・拡大していく可能性もあります。
例えば、複数のLLMを効果的に組み合わせたり、特定の業界向けの最適化されたソリューションを提供したりすることで、独自の価値を創出し続けることができるでしょう。

結論
LangChainの将来は、LLMの進化と市場のニーズに応じて変化していくと予想されます。完全に代替されるのではなく、より高度で特化した機能を提供することで、AIアプリケーション開発において重要な役割を果たし続ける可能性が高いと言えます。
ただし、常に進化し続ける必要があり、LLMの発展に遅れを取らないよう、迅速な適応と革新が求められるでしょう。

Vision Transformerとは

技術的仕組み

Vision Transformerは、画像を固定サイズのパッチ（通常16×16ピクセル）に分割することから始まります。

各パッチは線形埋め込みによって低次元ベクトルに変換されます。これらのパッチ埋め込みに位置埋め込みを追加して空間情報を保持し、特別なクラストークンも導入して分類タスクに対応します。
この一連の埋め込みベクトルは、Transformer Encoderで処理されます。

Encoderの核心は自己注意機構（Self-Attention Mechanism）で、これにより全パッチ間の関係性を計算し、重要な特徴を強調します。
Encoderは複数のレイヤーで構成され、各レイヤーにはMulti-Head Self-AttentionとFeed-Forward Networkが含まれます。

最終的に、クラストークンの出力をMulti-Layer Perceptron (MLP) ヘッドで処理して分類を行います。この構造により、CNNとは異なるアプローチで画像の階層的特徴を学習し、グローバルな文脈を捉えた高度な視覚認識タスクを実現しています。

 Transformerとの違い

Vision Transformerは画像データを扱うために設計されており、入力データの処理方法が異なります。通常のTransformerがテキストを扱うのに対し、Vision Transformerは画像をパッチに分割して処理します。

ディープラーニングとの違い

従来の画像処理用ディープラーニングモデル（例：CNN）と比較して、Vision Transformerはグローバルな文脈をより効果的に捉えることができます。また、大規模データセットでの事前学習に適しています。

VLMとは

VLM（Vision-Language Model）は、画像と言語を同時に処理するマルチモーダルAIモデルです。Vision TransformerとLLMを組み合わせ、画像の視覚的特徴と言語の意味を融合して理解します。画像キャプション生成、視覚質問応答、画像検索など、複雑なタスクを実現する先進的な技術です。

技術的仕組み

VLMは、画像と言語を同時に処理するマルチモーダルモデルです。Vision TransformerとLLMを組み合わせ、両者の情報を融合して処理します。これにより、画像キャプション生成、視覚質問応答、画像検索など、複雑なタスクを実現します。

処理ステップ：

1. 画像入力：Vision Transformerを使用して画像を小さなパッチに分割し、各パッチを特徴ベクトルに変換します。これにより、画像の視覚的特徴を捉えます。
2. テキスト入力：LLMを用いてテキストをトークン化し、各トークンの埋め込みベクトルを生成します。これにより、言語の意味や文脈を理解します。
3. クロスアテンション：画像と言語の特徴ベクトルを入力とし、両者の相互関係を学習します。例えば、「赤いりんご」というテキストと画像を入力した場合、「赤い」という単語と画像の赤い部分を関連付けます。
4. 共有表現空間：クロスアテンションの出力を基に、画像とテキストの情報を統合した共通の特徴空間を形成します。この空間で、画像とテキストの高次元の関連性を捉えます。
5. タスク実行：共有表現空間の情報を用いて、特定のタスクを実行します。例えば、画像キャプション生成では、画像特徴から関連するテキストを生成します。
6. 事前学習：大規模なデータセットを用いて、マスク言語モデリング、画像-テキストマッチングなどのタスクで事前学習を行います。これにより、モデルは一般的な視覚-言語の関係性を学習します。

まとめ

本記事では、生成AIの基礎から最先端の技術に至るまでを体系的に解説しました。
生成AIの中核であるトランスフォーマーから発展した大規模言語モデル（LLM）は、自然言語処理だけでなく、画像処理にも応用され、その可能性は広がり続けています。
さらに、LLMの力を現実のアプリケーションに活用するためのフレームワークであるLangChainや、画像と言語を同時に扱うVLMなども紹介しました。

AI技術はこれからも急速に進化し、私たちの生活やビジネスに新しい価値を提供していくでしょう。
この記事が、AIの仕組みやその可能性を理解する一助となり、今後の活用方法についてのヒントとなれば幸いです。

以上