Machine Learning Operations (MLOps): Overview, Definition, and Architecture
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2024年3月3日開催 第１２回全日本コンピュータビジョン勉強会(JapanCV)「データセット関連読み会」の発表資料です。 https://kantocv.connpass.com/event/307177/ Machine Learning Operations (MLOps): Overview, Definition, and Architecture 読みました。 https://arxiv.org/abs/2205.02302
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Machine Learning Operations (MLOps): Overview, Definition, and Architecture
- 1. 第12回全日本コンピュータビジョン勉強会 Machine Learning Operations (MLOps): Overview, Definition, and Architecture 2024/03/03 皆川卓也(takmin)
- 2. 自己紹介 2 株式会社ビジョン＆ITラボ 代表取締役 皆川 卓也（みながわ たくや） 博士（工学） 「コンピュータビジョン勉強会＠関東」主催 株式会社フューチャースタンダード 技術顧問 略歴： 1999-2003年 日本HP（後にアジレント・テクノロジーへ分社）にて、ITエンジニアとしてシステム構築、プリ セールス、プロジェクトマネジメント、サポート等の業務に従事 2004-2009年 コンピュータビジョンを用いたシステム/アプリ/サービス開発等に従事 2007-2010年 慶應義塾大学大学院 後期博士課程にて、コンピュータビジョンを専攻 単位取得退学後、博士号取得（2014年） 2009年-現在 フリーランスとして、コンピュータビジョンのコンサル/研究/開発等に従事（2018年法人化） http://visitlab.jp
- 3. 今回読む論文 10 Machine Learning Operations (MLOps): Overview, Definition, and Architecture D. Kreuzberger, N. Kühl, and S. Hirschl (KIT Germany) May 2022, doi: 10.48550/arxiv.2205.02302. 以下の手法でMLOpsの概要、定義、アーキテクチャーを まとめたもの。 文献のサーベイ ツールの調査 インタビュー 入門として適している？と思われる。 「データセット関連読み会」ですが、データの管理の概念 も含むので。。。
- 4. 弊社の主な事業内容 1. Ｒ＆Ｄコンサルティング 2. 受託研究/開発 3. 開発マネジメント 4. 開発コンサルティング 5. ビジネス化コンサルティング 11
- 5. 開発マネジメント コンピュータビジョンやITシステム開発のためのマネジメ ントを代行致します 各種ITシステム構築や，海外のCV技術の実用化などの 実績があります ユーザ Vision & IT Lab 技術者 技術者 技術者 ・・・ 要件定義 基本設計 進捗管理 リスク管理 etc 12
- 6. 発表のモチベーション 13 MLOpsについて読み物はいくつか読んだことはあるけど、 ちゃんと理解しているわけではない。 そもそも一人会社なのでチームで仕事をする機会が少ない プロジェクトマネージャーとして技術者や研究者とビジネ スとの間を取り持つことがあり、その中で機械学習モデ ルの管理環境(mlflow)を構築する機会があった 今後も同じような仕事が来た時のために、包括的な知識を身 に着けておきたい 自社サービスを今後育てていくためにも、プロセスを理 解しておきたい。 PRMU/IBISML/CVIM研究会に参加されている機械学習 系の研究者の方にも役に立つ知見があるのでは？
- 7. 機械学習システムにおける隠れた技術的負債 14 実世界の機械学習システムでは、機械学習のコード部 分は全体のごく一部 Sculley, D., Holt, G., Golovin, D., Davydov, E., Phillips,T., Ebner, D., Chaudhary,V.,Young, M., Crespo, J. F., & Dennison, D. (2015). Hidden technical debt in machine learning systems. Advances in Neural Information Processing Systems, 2015-January, 2503–2511.
- 8. MLOpsとは？ 15 機械学習エンジニアは機械学習（ML）モデルの作成に 集中しがち 製品レベルのものを提供するためには複雑なシステム 構成やインフラとの連携、またその自動化が必要となる。 手作業のMLプロセスを自動化、運用化するためのエン ジニアリングプラクティスがMachine Learning Operations (MLOps) これまでの研究では、MLOpsをそれぞれ異なる視点から 語られており、総括的な議論が欠けていた。 この論文では「MLOpsとは何か」の明確なガイドラインを 作成する
- 9. DevOpsとは？ 16 「開発（Development）」＋「運用（Operations）」=DevOps Webサービスを提供する際、従来は開発するチームと運 用チームに分かれていた。 例：開発「新機能を導入したい！」 vs 運用「セキュリティと安定 性が下がるからダメ！」 開発と運用を同じライフサイクルの中に組み込んで継続 的に回していくこと。 「開発」→「統合」→「テスト」→「実装」→「監視」の各ステップ を自動化し、連携やフィードバックを簡単にする
- 10. 調査方法の概要 17 文献調査（Literature Review）、ツール調査(Tool Review)、 インタビューを元に、MLOpsの原則(Princeiples)、構成要 素(Components)、役割(Roles)、アーキテクチャを定義
- 11. 文献調査 18 “DevOps”、”CICD”、”Continuous Integration”、”Continuous Delivery”という用語をクエリー として、Google Scholar, Web of Science, Science Direct, Scopus, Association for Information Systems eLibraryか ら文献を検索。 取得した1,864件の文献を194件までスクリーニングし、 最終的に27件を選択
- 13. ツール調査（市販サービス） 20
- 14. インタビュー 21
- 16. Principles 23 MLOpsを実現するための９つの原則 1. CI/CD automation 継続的インテグレーション（CI） コードのコミット→ビルド→テストを自動化 継続的デリバリー（CD） CIを拡張した概念 コードのコミットから、ステージング環境へのリリースまでを自動化 本番環境へのリリースも承認一つで
- 17. Principles 24 MLOpsを実現するための９つの原則 2. Workflow orchestration 有向非巡回グラフで定義された順番に、タスクを自動で実行 する仕組みを用意する 依存関係等を考慮して作成する ex. データの前処理→特徴量エンジニアリング→モデルのト レーニングと評価→ハイパーパラメータチューニング 3. Reproducibility 機械学習実験の再現性を確保する
- 18. Principles 25 MLOpsを実現するための９つの原則 4. Versioning 学習データ、モデル、コードに対して、バージョン番号の付与 と管理を行う。 5. Collaboration 部署や役割間での協調作業 そのために、データ、モデル、コードに対してアクセス/作業で きる仕組みが必須
- 19. Principles 26 MLOpsを実現するための９つの原則 6. Continuous ML training & evaluation 新しい特徴量データに基づいて、定期的にモデルの再学習お よび自動評価を行う。 ワークフローの自動実行や監視、フィードバックの仕組みなど を利用する。 7. ML metadata tracking/logging 機械学習のワークフローごとに、学習日時、期間、モデル固 有のメタデータと性能のメトリクス、データとコードのバージョ ン、などを追跡、記録する。 実験結果とそれに関わる条件が追跡可能となる。
- 20. Principles 27 MLOpsを実現するための９つの原則 8. Continuous monitoring エラーや製品品質に影響するデータ、モデル、コード、インフ ラリソース、性能（予測精度等）を定期的に評価する。 9. Feedback loops 品質評価から得られた知見を、開発プロセスに反映する。 モデルの性能評価等を行う監視コンポーネントから、再学習 を行うためのスケジューラーへのフィードバック。
- 21. Principles 28 各原理の関係（私の理解） CI/CD automation Workflow orchestration Reproducibility Versioning Collaboration Continuous ML training & evaluation ML metadata tracking/logging Continuous monitoring Feedback loops
- 22. Technical Components 29 MLシステムを構成する９つのコンポーネントとPrinciplesとの 関係 Principlesを目標としたら、Compoentsは手段
- 23. Technical Components 30 CI/CD Component • 継続的インテグレーションおよび 継続的デリバリーを実現するため のビルド、テスト、デリバリー、デプ ロイ、およびフィードバックを実現 する機構 • サービス/ツールの例： • Jenkins • Github actions
- 24. Technical Components 31 Source-Code Repository • コードの保管とバージョン管理 • 複数の開発者のコードを統合する 仕組み • サービス/ツールの例： • Bitbuckets • GitLab • Github • Gitea
- 25. Technical Components 32 Workflow Orchestration Component • 有向非巡回グラフ（DAG）でタスクの実行順序や アーティファクト（モデル、データセット、評価メトリ クス等）の利用を定義する。 • サービス/ツールの例： • Apache Airflow • Kubeflow Pipelines • Luigi • AWS SageMaker Pipelines • Azure Pipelines
- 27. Technical Components 34 Feature Stores • 特徴量のデータベー ス • 実験等に用いるオフ ラインDBと、 Predictionに用いるた めの低遅延なオンラ インDB • サービス/ツールの 例： • Google Feast • Amazon AWS Feature Store • Tecton.ai • Hopswork.ai
- 28. Technical Components 35 ModelTraining Infrastructure • CPU、GPU、RAMな ど学習のための計算 リソース • スケーラブルな分散 アーキテクチャが望 ましい。 • サービス/ツールの 例： • Kubernetes • RedHat OpenShift
- 29. Technical Components 36 Model Registry • 学習済みモデルを付随するメタデータと 共にの保管 • サービス/ツールの例： • MLflow • AWS SageMaker Model Registry • Microsoft Azure ML Registry • Neptune.ai
- 30. Technical Components 37 ML Metadata Stores • ワークフロー上の各タスクのメタデータの 履歴を管理 • サービス/ツールの例： • Kubeflow Pipelines • AWS SageMaker Pipelines • Azure ML • IBM Watson Studio
- 31. Technical Components 38 Model Serving Component • REST APIなどを通してリアルタイム推論やバッチ推 論の機能を提供 • サービス/ツールの例： • KServe • TensorFlow Serving • Microsoft Azure ML REST API • AWS SageMaker Endpoints • GoogleVertex AI prediction service • etc
- 32. Technical Components 39 Monitoring Component • Model Servingの性能計測 • インフラやCI/CD、オーケストレーションの監視 • サービス/ツールの例： • Prometheus with Grafana • ELK stack • TensorBoard • KubeflowやML Flow、SageMaker等の組み込 み機能
- 33. Roles 40 Business Stakeholder 機械学習によって達成したいビジネスの目標を設定 投資対効果のプレゼン等ビジネス側とのコミュニケーション Solution Architect どのような技術を採用して、どのようなシステムを構築するか の設計 Data Scientist ビジネスの問題を機械学習の問題へ落とし込む アルゴリズムおよびハイパーパラメータの選定も含む機械学 習モデルの開発
- 34. Roles 41 Data Engineer データの管理および特徴量エンジニアリングのパイプライン構築 適切なデータがFeature Store Systemに取り込まれることを保証 Software Engineer 機械学習の問題をデザインパターンやコーディング規約等に基づき 実装 DevOps Engineer 開発と運用の橋渡し役として、CI/CD automation、Workflow orchestration、本番環境へのモデルデプロイ、監視等に責任を持つ
- 35. Roles 42 ML Engineer/MLOps Engineer ML インフラの構築と運用、パイプラインと本番環境へのモデルデプ ロイの管理、モデルと インフラの監視。 Data Scientistや Backend Engineer、DevOps Engineerなど、様々な 分野のスキルが必要 MLOpsにおける役割と相互の関係
- 36. Architecture and Workflow 43 MLOpsの主要ワークフロー （関わる役割） A) プロジェクトの立ち上げ Business Stakeholder, Solution Architect, Data Scientist, Data Engineer B) 特徴量エンジニアリングパイプライン Data Scientist, Data Engineer C) 実験 Data Scientist, Data Engineer, Software Engineer, DevOps Engineer, ML Engineer D) 自動化されたパイプラインによるモデル提供 Software Engineer, DevOps Engineer, ML Engineer
- 37. 44
- 39. 46 特徴量エンジニアリングパイプライン • 生データに対して、データの変換ルール（正規化、 クリーニング等）を定義 • 定義に沿ってデータをパイプライン処理し、 Feature Store Systemに格納 • 変換ルールは実験結果等のフィードバックを受け て、繰り返し調整される
- 40. 47 実験 • Data Scientistによるデータの確認と、変更が必要な場 合は報告 • パラメータを変えながら繰り返しトレーニングと評価 • 良い評価結果が出たらモデルとコードをRegistryに commit • CI/CDが自動で走り、ビルド、テスト、デリバリーされる
- 43. 概念化 50 文献調査、ツール調査、インタビューを通して、MLOpsを 以下のように概念化 MLOps（Machine Learning Operations）とは、機械学習製品のエンドツーエンドの 概念化、実装、モニタリング、デプロイメント、スケーラビリティに関して、ベストプラ クティスや一連の概念、開発文化などの側面を含むパラダイムである。最も重要 なことは、機械学習、ソフトウェアエンジニアリング（特にDevOps）、データエンジ ニアリングという3つの貢献する分野を活用するエンジニアリングプラクティスであ るということだ。MLOpsは、開発（Dev）と運用（Ops）のギャップを埋めることで、機 械学習システムのプロダクション化を目指している。基本的に、MLOpsは以下の 原則を活用することで、機械学習製品の作成を促進することを目指している： CI/CDの自動化、ワークフローのオーケストレーション、再現性、データ、モデル、 コードのバージョニング、コラボレーション、継続的なMLのトレーニングと評価、ML のメタデータのトラッキングとロギング、継続的なモニタリング、フィードバックルー プ。
- 44. MLOpsを採用するにあたっての課題 51 組織的課題 モデル主導の機械学習から、製品指向へ組織文化を変える 機械学習システムの課題 特に学習時のCPU、GPU、RAMなどのインフラリソースの正 確な見積もりが難しいため、柔軟でスケーラブルなシステム が必要 運用上の課題 繰り返される再トレーニングを実現するための高度な自動化 データ、モデル、コードのバージョン管理