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Hacker News • 55일 전

탐색적 모델링: 수많은 정답 중 최적의 하나를 찾는 새로운 패러다임

IMP
8/10
핵심 요약

기존 생성형 AI 모델들이 겪던 '평균화로 인한 흐려짐(Blur)' 문제와 복잡한 다단계 추론의 한계를 극복하는 새로운 접근법, 탐색적 모델링(Explorative Modeling)이 제안되었습니다. 이 방법은 모델의 데이터, 파라미터, 연산 효율성을 최대 6배 이상 획기적으로 향상시키며, 엔드투엔드(End-to-End) 방식으로 단일 추론만으로도 고품질 결과물을 생성해 낼 수 있습니다. 특히 제어 및 조건부 생성 작업에서 최대 256배 적은 연산량으로 기존 디퓨전 모델과 맞먹는 성능을 내는 등 AI 모델 스케일링의 새로운 축으로 주목받습니다.

번역된 본문

웹사이트: https://explorative-modeling.github.io/ 깃허브: https://github.com/alexiglad/XM

요약(TLDR): 우리는 기존 생성 모델에 추가될 때 세 번째 사전 학습(Pretraining) 축으로 작용하며, 엔드투엔드(End-to-end) 생성을 가능하게 하는 새로운 생성 모델링 패러다임인 '탐색적 모델링(Explorative Modeling)'을 소개합니다. 탐색(Exploration)을 강화할수록 이미지, 비디오, 텍스트 영역에 걸쳐 기존 모델들의 성능이 단조롭게 향상되며, 이러한 이득은 모델 규모가 커질수록 증가합니다(데이터 기준 7%→36%, 파라미터 기준 13%→23%). 구체적으로, 탐색적 모델(XM)은 6.2배의 샘플 효율성, 4.1배의 FLOP(연산량) 효율성, 그리고 47% 향상된 파라미터 효율성에 도달합니다. 탐색은 일반화(Generalization) 능력의 확장과 기존 모델들의 엔드투엔드 통합을 가능하게 합니다. 엔드투엔드 생성 모델로서 XM은 최대 256배 적은 추론 연산량으로도 제어(Controllability) 작업에서 디퓨전(Diffusion) 모델과 맞먹는 성능을 냅니다.

단순하게 들릴 수 있는 질문 하나로 시작해 보겠습니다. 만약 모델에게 "개 한 마리를 생성해 줘"라고 요청한다면, 정답은 몇 개일까요? 알고 보니 정답은 매우 많습니다... 우리가 개 이미지라고 간주할 수 있는 이미지는 수십억 장 이상일 것입니다. 그렇다면 신경망을 훈련시켜 개 이미지를 직접 예측하게 하면 어떻게 될까요? 모델은 훈련 과정에서 수천 가지의 다양하고 올바른 개를 보게 되며, 이 모든 개에 가장 가까운 하나의 예측치는 바로 그것들의 '평균'입니다. 모델은 이를 출력하는 법을 학습하는데, 수천 마리 개의 평균은 실제 개와는 전혀 닮지 않은 갈색의 흐릿한 얼룩처럼 보입니다.

이를 명확히 이해하기 위해 게임을 하나 해보겠습니다. 제가 아래 다트판에 다트를 던질 텐데, 각 다트는 다트판의 원 어딘가에 무작위로 떨어질 것입니다. 여러분의 임무는 제 다트가 다음에 어디에 떨어질지 추측하는 것이며, 실제 위치와 멀면 멀수록 점수가 나빠집니다. 그렇다면 어디라고 추측해야 할까요? 알고 보니 오차를 최소화하는 추측은 다트판의 정중앙입니다. 우리는 이 게임을 하도록 모델을 훈련시켰고, 역시나 모델은 매번 정중앙을 추측했습니다(이것이 이 게임에서의 최적의 예측입니다)! 하지만 이는 끔찍한 결과입니다. 정중앙은 다트가 실제로 거의 떨어지지 않는 곳입니다. 즉, "최적의" 추측은 다트가 결코 떨어지지 않는 지점인 것입니다. 이것이 바로 생성 모델링의 핵심 문제입니다. 하나의 예측에 대해 유효한 정답이 많을 때, 단일 예측치로서 가장 좋은 것은 그것들의 '평균'인데, 데이터의 평균은 일반적으로 실제 데이터와 전혀 닮지 않은 나쁜 결과물이 되기 때문입니다.

이러한 문제는 다트판이나 개 이미지에만 국한된 것이 아니라 모든 종류의 데이터에서 나타납니다. 우리가 2개의 점 무리 3개를 직접 생성하도록 모델을 훈련시켰을 때, 모델은 그 한가운데에 있는 단일 점을 예측했습니다. 그리고 텍스트로 훈련시켰을 때는 오직 "the"라는 단어만을 말할 수 있었습니다.

하지만 잠깐. ChatGPT는 매끄러운 텍스트를 쓰고, 이미지 모델들은 정말 놀라운 이미지를 만들어 냅니다. 분명 이 문제가 어떻게든 해결된 것이겠죠? 맞습니다. 오늘날 확장 가능한 모든 생성 모델은 이 문제를 동일한 방식으로 해결합니다. 바로 훈련 중에 생성 과정을 여러 개의 작은 단계로 나누어, 각 단계가 대략 하나의 정답을 갖도록 만드는 것입니다. 단계별로 정답이 하나뿐이면 평균을 낼 대상이 없으므로, 그 흐릿한 현상(Blur)이 사라지게 됩니다.

이것이 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. 자가회귀 모델(Autoregressive models, LLM 등)은 한 조각씩 예측하는데, 이는 우리의 게임에 빗대어 말하자면 다트의 정확한 위치를 한꺼번에 추측하지 않는 것과 같습니다. 대신, 먼저 다트가 얼마나 왼쪽이나 오른쪽에 떨어지는지만 추측하고, 그 다음 주어진 정보를 바탕으로 얼마나 위아래로 떨어지는지 추측합니다. 다트가 맨 오른쪽에 떨어졌다는 것을 알고 나면, 위치 가능성은 몇 군데로 좁혀집니다. 디퓨전 모델(Diffusion models)은 다른 방식으로 이를 수행합니다. 순수한 무작위 노이즈에서 시작하여 데이터를 향해 수백 번의 아주 작은 단계를 거칩니다. 초기에는 추측이 여전히 어떤 다트든 될 수 있지만, 한 단계마다 가능성을 좁혀가기 때문에 어느 단계에서도 한 번에 여러 유효한 정답에 직면하지 않습니다.

알고 보니 이것이 현대의 모든 생성 모델이 작동하는 기본 원리입니다. 즉, 생성 과정을 잘 예측할 수 있는 더 작은 조각들로 쪼개는 것입니다. 여기에는 LLM, 이미지 및 비디오 모델은 물론 MeanFlow나 일관성 모델(Consistency models) 같은 최근의 소수 단계(Few-step) 모델도 포함됩니다. 우리는 이처럼 생성을 조각으로 나누는 개념을 '생성 인수분해(Factoring generation)'라고 부릅니다. 생성을 분해하는 이러한 접근 방식은 효과적이지만, 몇 가지 이유로 악마적(Evil)이기도 합니다. 첫 번째 이유는 모델이 훈련 중에...

원문 보기
원문 보기 (영어)
Website: https://explorative-modeling.github.io/ GitHub: https://github.com/alexiglad/XM TLDR : We introduce Explorative Modeling, a new paradigm for generative modeling that acts as a third pretraining axis when added to existing generative models, and also enables end-to-end generation. Increasing exploration monotonically improves existing models across images, video, and language, and the gains grow with scale (7%→36% with data, 13%→23% with parameters). Concretely, Explorative Models (XMs) reach 6.2× sample efficiency, 4.1× FLOP efficiency, and 47% better parameter efficiency. Exploration also enables scaling generalization, and scaling how end-to-end existing models are. As end-to-end generative models, XMs match diffusion on control tasks with up to 256× less inference compute. Let me start with a question that sounds simple. If I ask a model to “generate a dog”, how many correct answers are there? It turns out there are a lot… likely billions or more images that we could count as dog images. So what happens if we train a neural network to directly predict dog images? The model sees thousands of different valid dogs during training, and the single prediction closest to all of them is their average. That’s what the model learns to output, and the average of thousands of dogs looks nothing like a dog, it’s a brown blur. To make this concrete, let’s play a game. I’m going to throw darts at the board below, and each dart will land somewhere random on the rings. Your job is to guess where my next dart will land, and the further off you are, the worse your score. So where should you guess? It turns out the guess that minimizes your error is the exact middle of the board. 1 We trained a model to play this game, and sure enough, it guesses the middle every time (this is the optimal prediction here)! This is terrible though… the middle is almost never where a dart actually lands. The “optimal” guess is a spot that no darts ever land. This is the core problem of generative modeling. When a prediction has many valid answers, the best single prediction is their average , and the average of data is generally a bad answer that looks nothing like the real data. 2 And this problem isn’t special to dartboards or dogs, it shows up with any kind of data. When we trained a model to directly generate three piles of 2D points, it predicted a single dot in the middle of them, and when we trained one on text, all it could say was “the”. But wait. ChatGPT writes coherent text, and image models generate really amazing images. Clearly this problem has been solved somehow, right? It has, and every scalable generative model today solves it the same way, by breaking generation into many small steps during training, so each step has roughly one right answer . When a step has one right answer, there’s nothing to average, and the blur disappears. Let’s look at how this works. Autoregressive models (like LLMs) predict one piece at a time, which in our game means never guessing the dart’s exact position all at once. Instead, you first guess only how far left or right the dart lands, and then given that, you guess how far up or down. Once you know the dart landed on the far right, there are only a couple places it could be. Diffusion models do this differently. They start from pure random noise and take hundreds of tiny steps toward the data. Early on, their guess could still become any dart, but every step narrows the possibilities, so no single step ever faces many valid answers at once. It turns out this is basically how every modern generative model works, by breaking the generation process into smaller pieces that can be predicted well. This includes LLMs, image and video models, and even newer few-step models like MeanFlow and consistency models. We refer to this idea of breaking generation into pieces as factoring generation . This approach of factoring generation works, but it’s also evil for a couple of reasons. The first is that models get trained on a single step, yet run for hundreds or thousands of steps at inference, so their own imperfect outputs get fed back in as inputs, errors compound, and generations slowly drift away from anything the model saw during training. This problem is called exposure bias (I wrote a whole blog on why it’s evil ), and it’s why video models melt into mush after ten seconds and why LLMs get less coherent over really long generations, directly hurting performance and generalization. The second evil builds on the first, because that mismatch between training and inference means these models are never end-to-end , where an end-to-end model runs at inference exactly the way it was trained. End-to-end learning is what kicked off the deep learning revolution with AlexNet, and the lesson has held ever since… letting models learn everything directly from data beats hand-designing parts of the pipeline, and a model that runs the way it was trained is never forced into out-of-distribution territory. Nearly all of deep learning has gone end-to-end by now except generative modeling, and factoring generation is exactly what’s blocking it. So ideally we’d stop factoring generation, but factoring is also the only trick we know that handles the many-answers problem. The natural question then is whether we could factor something else instead, and it turns out a generative model only has two processes, how it generates and how it trains. If generation is off the table, that leaves the training loop. So what does factoring training look like? To answer this, let’s go back to our game, except this time I’ll give you twenty guesses instead of one, and only your closest guess counts. It turns out that with twenty guesses, guessing the middle becomes a terrible strategy. This is because you can now spread your guesses over the spots where darts actually land, lowering your error far more than the middle ever could. In other words, the winning strategy is to use your guesses to explore different answers. And this is exactly what happens. When we train a model this way with twenty guesses (middle panel below), its guesses spread across the board! Take a second to appreciate what just happened here. The darts land in the exact same places as before, but because we changed how guesses are scored , the best possible prediction moved from the middle of the board onto the spots darts actually land. This reveals something important, which is that the training objective alone controls what the best prediction is (the loss minimizer), and by changing it, we moved the loss minimizer from the average of the data onto the data itself. This is Explorative Modeling . At each training step, the model explores K possible matches between what it generates and the real data, and only the best match gets trained. We call models trained this way Explorative Models (XMs) . In the simplest case, this is literally, beautifully, a for loop: losses = [] for i in range ( K ): generation = model . generate () # e.g., from a different random noise losses . append ( loss_fn ( generation , data )) min ( losses ). backward () # only the best generation gets gradients Here’s what happens as we increase the exploration K on real data: If we zoom out, this figure actually hints at something much bigger. All of modern generative modeling is really about designing a training objective whose loss minimizer lands on real data instead of between it, and factoring generation and exploration are just two different ways of achieving this. We call this idea Mode Forcing , and it’s the theory that led us to Explorative Modeling in the first place, predicting almost every result in the paper before we ran the experiments. There’s a whole paper on Mode Forcing coming soon :) Another thing worth noticing is that all of an XM’s extra work happens during training. For end-to-end XMs, generation itself is left completely untouched, staying a single step that works identically during training and inference.