テンソルフロー

テンソルフロー
開発者Google Brainチーム[ 1 ]
初回リリース2015年11月9日 （2015年11月9日）
安定版リリース
2.20.0 / 2025年8月19日 （2025年8月19日）
リポジトリgithub .com /テンソルフロー/テンソルフロー
書かれたPython、C++、CUDA
プラットフォームLinux、macOS、Windows、Android、JavaScript [ 2 ]
タイプ機械学習ライブラリ
ライセンスアパッチ2.0
Webサイトテンソルフロー.orgWikidataで編集する

TensorFlowは、機械学習と人工知能のためのソフトウェアライブラリです。様々なタスクに使用できますが、主にニューラルネットワークの学習と推論に使用されます。[ 3 ] [ 4 ] PyTorchなどと並んで、最も人気のあるディープラーニングフレームワークの一つです。[ 5 ] Apache License 2.0に基づいてリリースされている無料のオープンソースソフトウェアです。

これは、 Google BrainチームによってGoogle社内の研究および生産での使用のために開発されました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]最初のバージョンは2015年にApache License 2.0の下でリリースされました。 [ 1 ] [ 9 ] Googleは2019年9月に更新バージョンのTensorFlow 2.0をリリースしました。[ 10 ]

TensorFlowは、 Python、JavaScript、C++、Javaなど幅広いプログラミング言語で使用できるため、[ 11 ]多くの分野のさまざまなアプリケーションでの使用が容易になります。

歴史

不信感

2011年より、Google Brainはディープラーニングニューラルネットワークに基づく独自の機械学習システムとしてDistBeliefを構築しました。その利用は、研究と商用アプリケーションの両方で、Alphabet傘下の様々な企業で急速に拡大しました。 [ 12 ] [ 13 ] Googleは、 Jeff Deanを含む複数のコンピュータサイエンティストに、 DistBeliefのコードベースを簡素化およびリファクタリングし、より高速で堅牢なアプリケーショングレードのライブラリ（後のTensorFlow）に仕上げるよう指示しました。 [ 14 ] 2009年には、 Geoffrey Hinton率いるチームが一般化バックプロパゲーションなどの改良を実装し、音声認識のエラーが25%削減されるなど、大幅に精度の高いニューラルネットワークの生成を可能にしました。[ 15 ]

テンソルフロー

TensorFlowはGoogle Brainの第2世代システムです。バージョン1.0.0は2017年2月11日にリリースされました。 [ 16 ]リファレンス実装は単一のデバイスで動作しますが、TensorFlowは複数のCPUとGPUで動作できます（グラフィックス処理装置での汎用コンピューティングのためのオプションのCUDAおよびSYCL拡張機能を使用）。[ 17 ] TensorFlowは、64ビットLinux、macOS、Windows 、およびAndroidやiOSを含むモバイルコンピューティングプラットフォームで利用できます。[ 18 ] [ 19 ]

柔軟なアーキテクチャにより、さまざまなプラットフォーム (CPU、GPU、TPU )、デスクトップからサーバー クラスター、モバイル デバイス、エッジ デバイスまで、コンピューティングを簡単に展開できます。

TensorFlowの計算は、状態のあるデータフローグラフとして表現されます。TensorFlowという名前は、このようなニューラルネットワークがテンソルと呼ばれる多次元データ配列に対して実行する演算に由来しています。[ 20 ] 2016年6月のGoogle I/Oカンファレンスで、ジェフ・ディーンはGitHub上の1,500のリポジトリがTensorFlowに言及していると述べましたが、そのうちGoogleのものはわずか5つでした。[ 21 ]

2018年3月、GoogleはJavaScriptでの機械学習向けTensorFlow.jsバージョン1.0を発表しました。[ 22 ]

2019年1月、GoogleはTensorFlow 2.0を発表しました。[ 23 ] 2019年9月に正式に利用可能になりました。[ 10 ]

2019年5月、Googleはコンピュータグラフィックスにおけるディープラーニング用のTensorFlow Graphicsを発表しました。[ 24 ]

テンソル処理ユニット（TPU）

2016年5月、GoogleはTensor Processing Unit（TPU）を発表しました。これは機械学習専用に構築され、TensorFlow向けにカスタマイズされた特定用途向け集積回路（ASIC 、ハードウェアチップ）です。TPUは、低精度演算（例：8ビット）の高スループットを提供するように設計されたプログラム可能なAIアクセラレータであり、モデルのトレーニングではなく、使用または実行に重点を置いています。Googleは、1年以上前から自社のデータセンター内でTPUを運用しており、機械学習においてワットあたりのパフォーマンスが桁違いに最適化されたことを明らかにしました。[ 25 ]

2017年5月、Googleは第2世代のTPUと、Google Compute EngineでのTPUの提供を発表しました。[ 26 ]第2世代TPUは最大180テラフロップスの性能を発揮し、64個のTPUのクラスターに編成すると最大11.5ペタフロップスを実現します。

2018年5月、Googleは最大420テラフロップスの性能と128GBの高帯域幅メモリ（HBM）を搭載した第3世代TPUを発表しました。Cloud TPU v3 Podは100ペタフロップス以上の性能と32TBのHBMを提供します。 [ 27 ]

2018年2月、GoogleはGoogle Cloud PlatformでTPUをベータ版として提供すると発表しました。[ 28 ]

エッジTPU

2018年7月、Edge TPUが発表されました。Edge TPUは、Googleが独自に開発したASICチップで、スマートフォンなどの小型クライアントコンピューティングデバイス（エッジコンピューティング）上でTensorFlow Lite機械学習（ML）モデルを実行するように設計されています。 [ 29 ]

TensorFlow Lite

2017 年 5 月、Google はモバイルおよび組み込みデバイス向けの機械学習モデルをサポートするソフトウェア スタックとして TensorFlow Lite を発表し、2017 年 11 月には開発者プレビューを提供しました。[ 30 ] [ 31 ] 2019 年 1 月、TensorFlow チームは Android デバイスでは OpenGL ES 3.1 Compute Shader、iOS デバイスでは Metal Compute Shader を搭載したモバイル GPU 推論エンジンの開発者プレビューをリリースしました。[ 32 ] 2019 年 5 月、Google は TensorFlow Lite Micro（別名 TensorFlow Lite for Microcontrollers）とARM のuTensor を統合すると発表しました。[ 33 ] 2024 年に LiteRT に改名されました。 [ 34 ]

テンソルフロー 2.0

研究論文におけるTensorFlowのシェアがPyTorchに取って代わられるにつれ、[ 35 ] TensorFlowチームは2019年9月にライブラリの新しいメジャーバージョンのリリースを発表しました。TensorFlow 2.0では多くの変更が導入されましたが、最も重要なのはTensorFlow Eagerで、自動微分化スキームが静的計算グラフから、Chainer、後にPyTorchによって普及した「Define-by-Run」スキームに変更されました。[ 35 ]その他の主要な変更には、古いライブラリの削除、異なるバージョンのTensorFlowで訓練されたモデル間の相互互換性、GPUでのパフォーマンスの大幅な向上が含まれます。[ 36 ]

特徴

自動微分化

自動微分化とは、モデルのパラメータごとに勾配ベクトルを自動的に計算するプロセスです。この機能により、TensorFlowはモデル内のパラメータの勾配を自動的に計算できます。これは、パフォーマンスを最適化するために勾配を必要とするバックプロパゲーションなどのアルゴリズムに役立ちます。[ 37 ]そのためには、フレームワークはモデル内の入力テンソルに対して行われた演算の順序を追跡し、適切なパラメータに関する勾配を計算する必要があります。[ 37 ]

熱心な実行

TensorFlowには「積極的実行」モードが含まれています。これは、演算が計算グラフに追加されて後で実行されるのではなく、すぐに評価されることを意味します。[ 38 ]積極的実行されたコードは、計算グラフの後ではなく、コードの各行でデータが拡張されるため、デバッガーを使用してステップごとに調べることができます。[ 38 ]この実行パラダイムは、ステップごとの透明性のため、デバッグが容易であると考えられています。[ 38 ]

配布する

TensorFlowは、Eager実行とグラフ実行の両方において、様々な分散戦略を用いて複数のデバイスに計算を分散するためのAPIを提供しています。[ 39 ]この分散コンピューティングは、 TensorFlowモデルのトレーニングと評価の実行を高速化できるため、AI分野では一般的な手法となっています。[ 39 ] [ 40 ]

損失

TensorFlowは、モデルの訓練と評価のために、損失関数（コスト関数とも呼ばれる）のセットを提供しています。[ 41 ]一般的な例としては、平均二乗誤差（MSE）やバイナリクロスエントロピー（BCE）などがあります。[ 41 ]

メトリクス

TensorFlowは、機械学習モデルの性能を評価するために、一般的に使用される指標へのAPIアクセスを提供しています。例えば、様々な精度指標（バイナリ、カテゴリカル、スパースカテゴリカル）に加え、適合率、再現率、積和集合（IoU）などの指標が含まれます。[ 42 ]

TF.nn

TensorFlow.nnは、モデルに対して基本的なニューラルネットワーク演算を実行するためのモジュールです。[ 43 ]これらの演算には、畳み込みのバリエーション（1/2/3D、Atrous、深さ方向）、活性化関数（Softmax、RELU、GELU、Sigmoidなど）とそのバリエーション、その他の演算（max-pooling、bias-addなど）が含まれます。[ 43 ]

オプティマイザー

TensorFlowは、 ADAM、ADAGRAD、確率的勾配降下法（SGD）など、ニューラルネットワークのトレーニング用の最適化ツールを提供しています。 [ 44 ]モデルをトレーニングする際には、異なる最適化ツールがさまざまなパラメータチューニングモードを提供し、モデルの収束やパフォーマンスに影響を与えることがよくあります。[ 45 ]

使用方法と拡張機能

テンソルフロー

TensorFlowは機械学習のコアプラットフォームおよびライブラリとして機能します。TensorFlowのAPIはKerasを使用して、ユーザーが独自の機械学習モデルを作成できるようにしています。[ 36 ] [ 46 ] TensorFlowは、モデルの構築とトレーニングに加えて、モデルのトレーニングに必要なデータの読み込みや、TensorFlow Servingを使用したデプロイも支援します。[ 47 ]

TensorFlowは安定したPythonアプリケーションプログラムインターフェース（API）[ 48 ]のほか、JavaScript、[ 49 ] C++、 [ 50 ] Java [ 51 ]向けに後方互換性が保証されていないAPIも提供しています。[ 11 ]サードパーティ製の言語バインディングパッケージもC#、[ 52 ] [ 53 ] Haskell、 [54 ] Julia、[ 55 ] MATLAB、[ 56 ] Object Pascal、[ 57 ] R、[ 58 ] Scala 、[ 59 ] Rust、[ 60 ] OCaml、[ 61 ] Crystal [ 62 ]向けに提供されています。現在アーカイブ化されサポートされていないバインディングにはGo [ 63 ]とSwift [ 64 ]があります。

TensorFlow.js

TensorFlowには、JavaScriptで機械学習を行うためのライブラリも用意されています。TensorFlow.jsでは、提供されているJavaScript APIを使用することで、Tensorflow.jsモデル、またはTensorFlowやTFLiteから変換したモデルを使用し、モデルを再学習してウェブ上で実行することができます。[ 47 ] [ 65 ]

ライトRT

LiteRT（旧称TensorFlow Lite）[ 66 ]には、モバイルアプリや組み込みデバイスでTensorFlowモデルを生成・展開するためのAPIがあります。[ 67 ]これらのモデルは圧縮・最適化されており、より効率的に、小容量のデバイスでも高いパフォーマンスを発揮します。[ 68 ]

LiteRTは、ネットワークモデルのデータシリアル化形式としてFlatBuffersを使用し、標準のTensorFlowモデルで使用されるプロトコルバッファ形式を避けています。[ 68 ]

TFX

TensorFlow Extended（略称TFX）は、エンドツーエンドの生産に必要なすべての操作を実行するための多数のコンポーネントを提供します。[ 69 ]コンポーネントには、データの読み込み、検証、変換、機械学習モデルのチューニング、トレーニング、評価、そしてモデル自体の生産へのプッシュが含まれます。[ 47 ] [ 69 ]

統合

ナンピー

Numpyは最も人気のあるPythonデータライブラリの一つであり、TensorFlowはそのデータ構造との統合と互換性を提供しています。[ 70 ]ライブラリのネイティブデータ型であるNumpy NDarrayは、TF操作においてTensorFlow Tensorに自動的に変換されます。逆も同様です。[ 70 ]これにより、ユーザーが明示的なデータ変換を記述することなく、2つのライブラリが連携して動作できるようになります。さらに、この統合はメモリ最適化にも拡張され、TF Tensorは可能な限りNumpy NDarrayのメモリ表現を共有します。[ 70 ]

拡張機能

TensorFlowは、使用されるモデルや手法を進化させ、拡張するための様々なライブラリや拡張機能も提供しています。 [ 71 ]例えば、TensorFlow RecommendersとTensorFlow Graphicsは、それぞれの機能のためのライブラリです。 [ 72 ]その他のアドオン、ライブラリ、フレームワークには、TensorFlow Model Optimization、TensorFlow Probability、TensorFlow Quantum、TensorFlow Decision Forestsなどがあります。[ 71 ] [ 72 ]

Google Colab

Googleはまた、セットアップが不要なTensorFlow Jupyterノートブック環境であるCollaboratoryもリリースした。 [ 73 ]これはGoogle Cloud上で実行され、ユーザーはGPUに無料でアクセスでき、 Google Driveにノートブックを保存して共有することができる。[ 74 ]

グーグルジャックス

Google JAXは、数値関数を変換するための機械学習フレームワークです。 [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]これは、 autograd（関数の微分による勾配関数の自動取得）の改良版とTensorFlowのXLA （Accelerated Linear Algebra）を組み合わせたものと説明されています。NumPyの構造とワークフローに可能な限り忠実に従うように設計されており、TensorFlowだけでなくPyTorchなどの他のフレームワークでも動作します。JAXの主な機能は次のとおりです。[ 75 ]

  1. 大学院：自動微分
  2. jit: コンパイル
  3. vmap: 自動ベクトル化
  4. pmap: SPMDプログラミング

アプリケーション

医学

GEヘルスケアはTensorFlowを使用してMRIの特定の体の部位を識別する速度と精度を向上させました。 [ 78 ] GoogleはTensorFlowを使用して、ユーザーが皮膚の写真を撮って潜在的な健康上の合併症を特定できる無料のモバイルアプリケーションDermAssistを作成しました。[ 79 ] Sinovation VenturesはTensorFlowを使用して光干渉断層撮影（OCT）スキャンから眼疾患を特定および分類しました。[ 79 ]

ソーシャルメディア

TwitterはTensorFlowを実装し、特定のユーザーにとっての重要度でツイートをランク付けし、このランク順にツイートを表示するようにプラットフォームを変更しました。[ 80 ]以前は、ツイートは単に逆時系列で表示されていました。[ 80 ]写真共有アプリVSCOは、写真にカスタムフィルターを提案するためにTensorFlowを使用しました。[ 79 ]

検索エンジン

Googleは2015年10月26日にTensorFlowを活用したRankBrainを正式にリリースした。 [ 81 ]

教育

仮想学習プラットフォームのInSpaceは、TensorFlowを使用して教室内の有害なチャットメッセージをフィルタリングしました。[ 82 ]オンライン英語学習プラットフォームのLiulishuoは、TensorFlowを利用して各生徒に合わせた適応型カリキュラムを作成しました。[ 83 ] TensorFlowは、生徒の現在の能力を評価するために使用され、その能力に基づいてどのコンテンツを表示するかを決定するのにも役立ちました。[ 83 ]

小売り

電子商取引プラットフォームのCarousellは、顧客にパーソナライズされた推奨事項を提供するためにTensorFlowを使用しました。[ 79 ]化粧品会社ModiFaceは、顧客が顔にさまざまな色合いのメイクを試すことができる拡張現実体験を作成するためにTensorFlowを使用しました。[ 84 ]

2016 年のオリジナルの写真（左）と TensorFlowニューラル スタイルを適用した写真（右）の比較

研究

TensorFlowは、自動画像キャプション作成ソフトウェアDeepDreamの基盤となっています。[ 85 ]

参照

参考文献

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