Die Rolle von GPUs (Graphics Processing Units) in der Künstlichen Intelligenz ist unbestreitbar. Sie haben die Entwicklung moderner neuronaler Netzwerke und anderer KI-Anwendungen revolutioniert, indem sie die parallele Verarbeitung großer Datenmengen effizient ermöglichen. Dennoch wirft eine Eigenschaft der GPUs – die Nichtdeterminismus bei Berechnungen – viele Fragen auf, insbesondere im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Generalisierungsfähigkeit von KI-Modellen. Es stellt sich daher die wichtige Frage: Ist GPU-Nichtdeterminismus tatsächlich schädlich für die KI-Entwicklung? Um diese Frage zu beantworten, ist es wichtig, zunächst zu verstehen, was GPU-Nichtdeterminismus ist, wie er entsteht und welche Auswirkungen er konkret auf das Training und die Validierung von neuronalen Netzwerken haben kann. GPU-Nichtdeterminismus bezieht sich auf Situationen, in denen identische Programme mit denselben Eingabedaten bei mehreren Ausführungen unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Dieses Verhalten kann durch mehrere Faktoren bedingt sein, vor allem durch die parallelisierte Architektur von GPUs und die Art und Weise, wie Gleitkommaoperationen ausgeführt werden. Die parallele Verarbeitung führt dazu, dass Operationen in nicht immer derselben Reihenfolge ausgeführt werden – und da das Rechnen mit Fließkommazahlen nicht assoziativ ist, kann sich bereits eine minimale Änderung in der Reihenfolge der Operationen auf das Ergebnis auswirken. Dieser Sachverhalt wird häufig als Ursache für eine gewisse Unschärfe oder „Rauschen“ in Berechnungsergebnissen genannt. Gerade bei tiefen neuronalen Netzwerken, wo Millionen, wenn nicht Milliarden von Gleitkommaoperationen zur Gewichtsaktualisierung stattfinden, können sich diese kleinen Unterschiede summieren. Die Sorge ist, dass diese Nichtdeterminismen zu Inkonsistenzen im Training führen könnten, was sich negativ auf die Reproduzierbarkeit der Modellleistung und letztlich auf die Verlässlichkeit der trainierten KI auswirkt.
Aus Anwendungs- und Forschungsperspektive stellt sich die Frage, ob solche Unterschiede bedeutsam sind oder ob sie innerhalb eines tolerierbaren Bereichs liegen. Es ist wichtig zu verstehen, dass in praktisch allen maschinellen Lernmethoden eine gewisse Stochastizität – sei es durch initialisierte Zufallsgewichte, zufällige Datenstichproben oder Dropout-Techniken – ohnehin vorhanden ist und sogar bewusst genutzt wird, um Überanpassung zu vermeiden. GPUs tragen mit ihrem leichten Nichtdeterminismus quasi eine weitere Form von Rauschen bei. Diese zusätzliche Stochastizität könnte theoretisch sowohl negative wie auch positive Auswirkungen haben. Auf der einen Seite kann ein Rauschen in den Berechnungen dazu führen, dass Trainingsprozesse weniger stabil werden und sich schlechter reproduzieren lassen.
Auf der anderen Seite kann es genau dieser leichte Rauschanteil sein, der das Modell zu besserer Generalisierung befähigt, indem es verhindert, dass das Netzwerk zu stark auf Details der Trainingsdaten optimiert, die nicht repräsentativ für neue Daten sind. Das Phänomen der Überparameterisierung ist in aktuellen tiefen neuronalen Netzwerken allgegenwärtig. Große Modelle mit Millionen von Parametern sind in der Lage, Trainingsdaten fast perfektionistisch abzubilden, was jedoch paradoxerweise oft zu einer besseren Generalisierung führt. Die Theorie vermutet, dass dieser Effekt durch eine Art von implizitem Regularisierung zustande kommt, bei der auch bestimmte Formen von nichtdeterministischem Verhalten eine Rolle spielen können. Allerdings gibt es auch technisch fundierte Bedenken.
Gerade wenn betrachtete Anwendungsgebiete sehr komplex sind, wie beispielsweise autonome Fahrsysteme, bei denen das Problemfeld extrem groß und kaum vollständig erfassbar ist, können kleine Unterschiede in Zwischenergebnissen die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems potenziell beeinträchtigen. Gerade in sicherheitskritischen Anwendungen ist daher eine möglichst deterministische Ausführung erstrebenswert – zumindest in der finalen Evaluations- und Einsatzphase der trainierten KI. In der Praxis nutzen Entwickler verschiedene Strategien, um nichtdeterministische Effekte einzudämmen. Dazu gehört beispielsweise das Festlegen von Zufallszahlengeneratoren auf fixe Seeds, um den Ablauf deterministischer zu gestalten. Außerdem gibt es Softwarebibliotheken und Frameworks, die Erweiterungen für deterministisches Rechnen auf GPUs anbieten, allerdings oft mit Einbußen bei der Leistung.
Hinsichtlich Quantifizierung liegen bisher wenige allgemeingültige Studien vor, die genau beziffern, wie groß der Effekt von GPU-Nichtdeterminismus ist und wie er sich auf verschiedene Architekturen und Lernparameter auswirkt. Verschiedene Arbeiten zeigen, dass die Schwankungen meist nur im unteren Bereich von ca. 0,1 bis 1 Prozent liegen, was in den meisten Anwendungsfällen ausreicht, insbesondere wenn man die inhärente Varianz im Training berücksichtigt. Dennoch kann dieser Wert je nach Netzgröße, Lernrate, Batch-Größe und Optimierungsalgorithmus variieren. Eine relevante Frage ist, ob es möglich wäre, mit einem kleineren, deterministisch trainierten Modell vergleichbare Leistungen zu erzielen wie mit einem größeren, nichtdeterministisch trainierten Netzwerk, welches Rauschen verarbeitet.
Erste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Overparameterisierung und ein gewisses Maß an Trainingsunschärfe synergistisch wirken und in manchen Fällen tatsächlich eine bessere Robustheit und generalisierte Performance ermöglichen. Somit kann das kleinere, deterministische Modell in manchen Situationen nicht unbedingt die gleiche Leistung erreichen, vor allem wenn Rauschen als eine Art implizite Regularisierung genutzt wird. Im Kontext der Datenherkunft und Trainingsdaten stellt sich zudem die fundamentale Frage, ob auch bei perfekten Trainingsdatensätzen eine exakte Abbildung des Problemraumes möglich ist. Gerade bei extrem komplexen Aufgaben ist es unmöglich, alle denkbaren Szenarien im Trainingsdatensatz abzubilden – das „Atom-des-Universums“ Beispiel verdeutlicht, wie unfassbar umfangreich der zu erfassende Datenraum sein kann. In solchen Fällen sind Modelle darauf angewiesen, aus begrenzten Daten gut zu generalisieren, was wiederum den Einfluss von kleineren Ungenauigkeiten bei der Berechnung relativiert.
Abschließend lässt sich sagen, dass GPU-Nichtdeterminismus ein echtes und technisch nachvollziehbares Phänomen ist, das allerdings je nach Kontext unterschiedliche Bedeutung hat. In vielen Alltagsanwendungen der KI stellt die natürliche Varianz im Training und Validieren eine größere Quelle für Variation dar als der Nichtdeterminismus von GPU-Berechnungen allein. Für sicherheitskritische Systeme sollte der Fokus jedoch auf möglichst deterministische Verfahren gelegt werden, um Risiken zu minimieren. Die Forschung ist hier noch nicht abgeschlossen, und es bleibt spannend zu beobachten, welche Software- und Hardware-Lösungen zukünftig entwickelt werden, um die Balance zwischen Performance, Reproduzierbarkeit und Generalisierungsfähigkeit optimal zu gestalten. Die Akzeptanz eines gewissen Maßes an Nichtdeterminismus kann in manchen Fällen sogar einen Vorteil darstellen, wenn es um die Robustheit und Flexibilität von KI-Systemen geht.
Entscheidend ist die bewusste Auseinandersetzung mit den Implikationen und die Anwendung zielgerichteter Methoden, um unerwünschte Effekte zu minimieren und gewünschte Effekte zu verstärken.
