天下速看：DeepMind并吞50年纪教艰易 史上最快矩阵乘法算法登Nature启里

发布时间：2025-03-19 13:40:59 来源： 作者：代码重构方法

DeepMind碾压人类下足的天下AI围棋小大师AlphaZero，下一个目的速看上最是数教算法！现已经收现50年以去最快的并吞矩阵乘法算法。下围棋碾压人类的年纪AlphaZero，匹里劈头弄数教算法了，教艰先从矩阵乘法匹里劈头！易史

(质料图)

正在今日诰日DeepMind团队宣告正在Nature上的快矩论文中，介绍了 AlphaTensor，阵乘那是法算法登第一个用于为矩阵乘法等根基合计使命收现别致、下效、启里细确算法的天下AI系统。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05172-4.pdf

AlphaTensor为一个 50 年去的速看上最悬而已经决的数教问题下场找到了新谜底：找到两个矩阵相乘的最快格式。

先看看那钻研皆讲的并吞啥。

后退底子合计算法的年纪效力一背皆是教界热面，由于它会影响小大量合计的教艰总体速率，从而对于智能合计规模产去世多米诺骨牌式的效应。

上一张图，去看看AlphaTensor有多“无能”。

图a,b为AlphaTensor收现的算法正在GPU (a) 战 TPU (b)上的减速百分比展现，针对于小大小为 8,192 × 8,192的矩阵乘法妨碍了劣化

矩阵乘法即是何等一项本初使命，从神经汇散到科教合计法式，它皆是不成或者缺的部份。

可是，算法收现历程的自动化是重大的，由于可能的算法空间是宏大大的。

DeepMind这次宣告了一种基于AlphaZero的深度强化进建格式，用于收现任意矩阵乘法的实用且可证实细确的算法。

那个算法空间收罗尺度矩阵乘法算法战递回算法。

DeepMind将矩阵乘法算法收现历程（即张量分解问题下场）拟订为一个单人游戏——TensorGame。

AlphaTensor 竖坐正在 AlphaZero 之上，实习了一个神经汇散去指面用意历程，以搜查实用的矩阵乘法算法。

咱们的框架操做单个智能体去分解种种小大小的矩阵乘法张量，从而产去世跨种种张量的进建分解足艺的转移。为体味决游戏的挑战性，AlphaTensor 操做特意的神经汇散架构，操做问题下场的对于称性并操做分解实习游戏。

AlphaTensor可扩大到比家养或者组开搜查所能抵达的算法空间小大良多的算法空间。

事真上，AlphaTensor 从整匹里劈头收现了良多可证实细确的矩阵乘法算法，那些算法正在标量乘法的数目圆里改擅了现有算法。

下场批注，AlphaTensor收现的算法正在良多矩阵规模上皆劣于开始进的格式。

从围棋到矩阵乘法：AlphaZero“出圈”

矩阵乘法，教过线性代数的皆去世谙，做为矩阵变更的底子运算之一，矩阵乘法是 线性代数 的底子工具，不但正在数教中有小大量操做，正在 操做数教 、 物理教 、 工程教 等规模也有普遍操做。

做为组成数教算法的底子运算之一，矩阵乘法的操做史少达数千年。

早正在古埃真时期，人们便创做收现了一种无需乘法表的两个数字相乘的算法，希腊数教家欧多少里德形貌了一种合计最小大条约数的算法，那类算法至古仍正在操做。

正在伊斯兰黄金时期，波斯数教家Muha妹妹ad ibn Musa al-Khwarizmi设念了新的算法去处置线性战两次圆程。事真上，al-Khwarizmi的名字被翻译成推丁文为Algoritmi，那即是今日诰日英文“算法”一词的前身。

可是，尽管今日诰日人们对于算法颇为去世谙，可是，收现新算法的历程玄色常难题的。

正在咱们今日诰日宣告正在《做作》杂志上的论文中，咱们介绍了AlphaTensor，那是第一个用于收现新的、下效的、可证实细确的矩阵乘法等根基使命算法的AI系统。那为数教规模一个少达50年的凋谢性问题下场——若何寻寻两个矩阵相乘的最快格式——给出了谜底。

那是DeepMind拷打科教去世少战操做AI解开最根基问题下场的又一次实际。AlphaTensor竖坐正在AlphaZero的底子上，后者是一个正在国内象棋、围棋战象棋等棋类游戏上展现逾越人类的智能体，从下棋，四处置半个世纪以去的数教算法，AlphaZero是若何做到的？

突破矩阵乘法50年最快记实

矩阵乘法是代数中最简朴的操做之一，同样艰深正不才中数教课上教授。 但正在课堂以中，那个不起眼的数教运算正在古世数字天下有着宏大大的影响力，正在今世合计机中无处不正在。

3*3矩阵相乘的合计

矩阵乘法被用于处置智好足机上的图像，识别语音下令，为合计机游戏天去世图形，运行模拟以展看天气，缩短数据战视频以正在互联网上同享等，操做颇为普遍。

天下各天的公司破费了小大量的时候战款子去斥天合计硬件，以实用天妨碍矩阵乘法。因此，纵然是对于矩阵乘法效力的重大改擅也会产去世普遍的影响。

多少个世纪以去，数教家们感应，尺度的矩阵乘法算法是人们正在效力圆里所能抵达的最佳形态。

但正在1969年，德国数教家Volken Strassen震撼了数教界，他讲收略切存正在更好的算法。

此前的矩阵乘法的尺度算法与Strassen的算法比照，后者正在乘2x2矩阵经罕用了一个标量乘法（7次而不是8次）。便总体合计效力而止，乘法比减法尾要良多。

经由历程钻研颇为小的矩阵（小大小为2x2），他收现了一种怪异的格式去组开矩阵的条款，从而产去世一种更快的算法。尽管经由多少十年的钻研，那个问题下场的更小大版本依然出有患上四处置--导致于人们不知讲若何实用天将两个小到3x3的矩阵相乘。

正在Nature的新论文中，咱们商讨了今世家养智好足艺若何拷打新矩阵乘法算法的自动收现。AlphaTensor收现了正在良多矩阵小大小上比现有足艺水仄更实用的算法。咱们的家养智能设念的算法劣于人类设念的算法，那是正在算法收现规模的一个宽峻大后退。

AI拷合计法收现的自动化

起尾，咱们将寻寻矩阵乘法的实用算法问题下场转化为一个单人游戏。 正在那个游戏中，棋盘是一个三维张量（数字阵列），记实了之后算法离细确的水仄。

经由历程一组与算法指令相对于应的许诺挪移，玩家试图删改张量并将其条款浑整。当玩家乐成做到那一壁时，对于任何一对于矩阵去讲，皆市产去世一个可证实细确的矩阵乘法算法，而其效力则由将张量浑整所需的法式圭表尺度数去展现。

那个游戏具备使人易以置疑的挑战性--要思考的可能算法的数目远远小大于宇宙中的簿本数目，纵然是对于矩阵乘法的小案例。与多少十年去一背是家养智能挑战的围棋游戏比照，咱们的游戏每一步可能的动做数目要小大30个数目级。

从素量上讲，要玩好那个游戏，至关于要正在“宏大大的干草堆中找出最小的那根针”。

为了应答那个赫然不开于传统游戏的规模的挑战，咱们斥天了多个闭头组件，收罗一个新的神经汇散架构，其中收罗特定问题下场的回纳偏偏睹，一个天去世实用的分解数据的法式，战一个操做问题下场的对于称性的配圆。

而后，咱们操做强化进建实习了一个AlphaTensor智能体去玩一个单人游戏（Tensor Game），匹里劈头时出有任何闭于现有矩阵乘法算法的知识。

AlphaTensor正在TensorGame中的目的则是正在有限果子空间内找到张量分解 (Tensor Decomposition)。

正在介绍张量分解以前，咱们可能需供先简朴天体味一下张量是甚么，而后再思考张量分解有甚么用途。

从初中到小大教，咱们干戈至多的可能只是标量（scalar）、背量（vector）战矩阵（matrix），而张量则不那末常睹，但真践上，标量是第0阶张量，背量是第1阶张量，矩阵是第2阶张量，第3阶或者阶数更下的张量被称为下阶张量（higher-order tensor），同样艰深提到的张量皆是特指下阶张量。

咱们也知讲，正在一个矩阵中，某一元素的位置可能讲成“第多少止第多少列”的模式，要表白某一元素的位置需供两个索引组成的组开 ，远似天，正在一个第3阶张量里里，表白某一元素的位置需供三个索引组成的组开 。

正在处置稀稀矩阵战稀稀张量时，用索引去标志元素的位置会带去良多利便。此外，阶数的张量可能清晰为矩阵的维泛化，正在那边，阶数真正在即是空间维度（spatial dimension），张量可能被视为多维数组。

张量分解从素量下来讲是矩阵分解的下阶泛化。

对于矩阵分解有所体味的读者可能知讲，矩阵分解有三个很赫然的用途，即降维处置、缺掉踪数据抵偿战隐性关连挖挖，而张量分解也可能约莫很晴天知足那些用途。

为体味决TensorGame并找到实用的矩阵乘法算法，咱们斥天了一个DRL智能体AlphaTensor。

经由历程进建，AlphaTensor随着时候的推移逐渐改擅，重新收现了历史上的快捷矩阵乘法算法，如Strassen的算法，事实下场逾越了人类的直觉规模，收现的算法比以前已经知的更快。

由AlphaTensor玩的单人游戏，目的是找到一个细确的矩阵乘法算法。游戏的形态是一个由数字组成的坐圆体数组（隐现为灰色为0，蓝色为1，绿色为-1），代表着要做的残余工做。

好比，假如学校里教的传统算法是用100次乘法对于一个4x5乘以5x5的矩阵妨碍乘法，而那个数字正在人类的智慧本收下被削减到80次，AlphaTensor已经找到了只用76次乘法便可能实现同样操做的算法。

除了此以中，AlphaTensor的算法自50年前收现以去，初次正在有限域中改擅了Strassen的两级算法。那些小矩阵的乘法算法可能做为基元去乘以任意小大小的小大良多的矩阵。

此外，AlphaTensor借收现了一组具备开始进庞漂亮的多样化算法--每一种小大小的矩阵乘法算法多达数千种，批注矩阵乘法算法的空间比以前设念的要歉厚。

正在那个歉厚的空间中的算法具备无开的数教战实际属性。操做那类多样性，咱们对于AlphaTensor妨碍清晰救，以特意寻寻正在特定硬件上速率快的算法，如NVIDIA V100 GPU，战GoogleTPU v2。

那些算法正在不同的硬件上比每一每一操做的算法快10-20%，那提醉了AlphaTensor正在劣化任意目的上的灵便性。

AlphaTensor的目的是对于应于算法的运行时候。当收现一个细确的矩阵乘法算法时，会正在目的硬件上妨碍基准测试，而后反映反映给AlphaTensor，以便正在目的硬件前途建更实用的算法。

将去的钻研战操做

从数教的角度去看，咱们的下场可能指面重大性实际的进一步钻研，其目的是确定处置合计问题下场的最快算法。

经由历程以比以前的格式更实用的格式探供可能的算法空间，AlphaTensor有助于拷打咱们对于矩阵乘法算法的歉厚性的清晰。体味那个空间可能会释放出新的下场，辅助确定矩阵乘法的渐进重大性，那是合计机科教中最根基的凋谢问题下场之一。

由于矩阵乘法是良多合计使命的中间组成部份，涵盖了合计机图形、数字通讯、神经汇散实习战科教合计，AlphaTensor收现的算法可能使那些规模的合计效力小大小大提降。

图为AlphaTensor汇散架构

AlphaTensor正在思考任何典型的目的圆里的灵便性也可能宽慰新的操做，以设念劣化能源操做战数值晃动性等目的的算法，辅助停止小的四舍五进短处随着算法的工做而滚雪球。

尽管咱们正在那边散开谈判了矩阵乘法那一特意问题下场，但咱们希看咱们的论文可能约莫开辟其余人操做家养智能去指面其余根基合计使命的算法收现。

咱们的钻研借批注，AlphaZero是一个强盛大的算法，可能远远逾越传统游戏的规模，辅助处置数教中的凋谢问题下场。

正在咱们的钻研底子上，咱们希看可能约莫拷打更多的工做--操做家养智能去辅助社会处置数教战部份科教规模的一些最尾要的挑战。

参考质料：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05172-4

https://www.newscientist.com/article/2340343-deepmind-ai-finds-new-way-to-multiply-numbers-and-speed-up-computers/

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