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Distributed AI

Aaron Rudolf
9. Oktober 2023

In den letzten Jahrzehnten haben bedeutende Fortschritte in der künstlichen Intelligenz unsere Welt und vor allem die IT grundlegend revolutioniert. Dabei entstanden immer wieder neue Ansätze, wie z. B. auch die “verteilte KI”, bzw. “distributed AI”. In diesem Beitrag stellen wir Ihnen das Konzept dahinter näher vor. Dabei besprechen wir u. a. auch die verbundenen Vorteile, Grenzen und Zukunftsaussichten sowie die Verbindung zum Edge Machine Learning.

Was ist Distributed AI?

Verteilte KI, bzw. Distributed AI (DAI), ist ein Konzept, das den Einsatz von künstlicher Intelligenz in einer verteilten oder dezentralen Umgebung beschreibt. Der Ansatz entwickelte sich in den 90ern nach den Ideen von Marvin Minsky. In seinem Buch “Society of Mind” beschrieb Minsky den menschlichen Geist als eine Gesellschaft kleiner Einheiten, die zusammenarbeiten und durch ihre Zusammenwirkung intelligentes Verhalten hervorbringen. Das Konzept bezieht sich also auf die Verteilung von Rechenressourcen und Daten auf mehrere Knotenpunkte oder Computer, um komplexe AI-Anwendungen auszuführen. Diese Knotenpunkte können sich über verschiedene Standorte, Rechenzentren oder sogar Länder erstrecken.

Im Gegensatz zu einer zentralisierten AI-Infrastruktur, bei der alle Daten und Berechnungen an einem einzigen Ort stattfinden, erlaubt die Verteilung von AI über mehrere Knotenpunkte. So können große Datenmengen verarbeitet, komplexe Aufgaben gelöst und die Rechenleistung skaliert werden, um anspruchsvollere KI-Modelle zu trainieren.

DAI findet u. a. Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Machine Learning (später mehr dazu), Deep Learning, IoT und autonomem Fahren.

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Wie funktioniert Distributed AI?

Distributed AI (DAI) arbeitet, indem es künstliche Intelligenz in einer verteilten oder dezentralen Umgebung einsetzt, bei der Rechenressourcen und Daten auf mehrere Knotenpunkte oder Computer verteilt werden. Hier ist eine grundlegende Erklärung, wie DAI in der Praxis funktioniert:

Verteilung von Daten
Zunächst werden die Daten, die für das Training oder die Ausführung der künstlichen Intelligenz benötigt werden, auf verschiedene Knotenpunkte oder Computer verteilt. Diese Knotenpunkte können sich über verschiedene Standorte, Rechenzentren oder sogar Länder erstrecken.

Parallelverarbeitung
In einem verteilten System werden die Rechenaufgaben auf mehrere Knotenpunkte aufgeteilt, und jeder Knotenpunkt führt seine Berechnungen parallel zu denen der anderen Knotenpunkte aus. Das ermöglicht eine effiziente Verarbeitung großer Datenmengen und komplexe Aufgaben.

Koordination und Kommunikation
Während der Verarbeitung kommunizieren die Knotenpunkte miteinander, um Informationen auszutauschen und Ergebnisse zu kombinieren. Die Koordination ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse der einzelnen Knoten konsistent und richtig zusammengeführt werden.

Sicherheit und Datenschutz
Da die Daten und Algorithmen über ein Netzwerk verteilt werden, ist die Sicherheit ein kritischer Aspekt von DAI. Verschlüsselung und sichere Speicherung der Daten sind notwendig, um unbefugten Zugriff zu verhindern und Datenschutz zu gewährleisten.

Ergebnisintegration
Nachdem die Berechnungen an den verteilten Knotenpunkten abgeschlossen sind, werden die Ergebnisse wieder zusammengeführt, um das endgültige Ergebnis zu erhalten. Dieses Ergebnis können Sie dann für Vorhersagen, Entscheidungsfindung oder andere KI-Anwendungen verwenden.

Was sind die Vorteile von Distributed AI?

Die Vorteile von Distributed AI umfassen:

  • Skalierbarkeit: Durch die Verteilung der Berechnungslast auf mehrere Rechner verbessert sich die Leistung und die Verarbeitung großer Datenmengen wird möglich.
  • Redundanz: Verteilte Systeme können widerstandsfähiger gegen Ausfälle sein, da sie nicht von einem einzigen Punkt abhängig sind. Wenn ein Knotenpunkt ausfällt, kann das System weiterhin funktionieren.
  • Effizienz: Durch die effiziente Nutzung von Ressourcen können Sie komplexe Aufgaben schneller lösen.
  • Datenschutz: In einigen Fällen kann Distributed AI dazu beitragen, dass sensible Daten nicht an einem zentralen Ort gespeichert oder verarbeitet werden müssen. Das kann die Datensicherheit erhöhen.
  • Zusammenarbeit: Forscher und Entwickler aus verschiedenen Standorten können gemeinsam an Projekten arbeiten und auf gemeinsame Ressourcen zugreifen.
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Grenzen und Zukunft von Distributed AI

Distributed AI bietet also einerseits den Vorteil der dezentralen Speicherung von Daten, was eine effiziente Verarbeitung großer Datenmengen und das Training komplexer KI-Modelle ermöglicht.

Risiken und Herausforderungen

Jedoch birgt diese verteilte Struktur auch Risiken für Datenschutzverletzungen und Angriffe auf die Infrastruktur. Die Sicherheit der Daten und Algorithmen, die über das Netzwerk ausgetauscht werden, ist daher von entscheidender Bedeutung. Verschlüsselung, sichere Speicherung und robuste Sicherheitsprotokolle sind notwendig, um unbefugten Zugriff zu verhindern.

Eine weitere Herausforderung von DAI liegt in der Skalierung und Verwaltung großer KI-Projekte. Zudem kann die Absicherung komplex sein, da die Sicherheit der über das Netzwerk ausgetauschten Daten und Algorithmen eine grundlegende Rolle spielt. Die verteilte Verarbeitung von Daten kann außerdem zu Latenzproblemen führen, insbesondere wenn große Datenmengen zwischen den Knotenpunkten übertragen werden müssen. Netzwerkstörungen können die Leistung von DAI beeinträchtigen.

Zukunftsaussichten

Die Zukunftsaussichten von Distributed AI sind dennoch vielversprechend, da sie das Potenzial hat, die KI-Entwicklung und -Anwendungen zu revolutionieren. Mit Fortschritten in Rechenleistung und Netzwerktechnologien werden die Herausforderungen der Skalierung und Latenz überwunden, was zu leistungsfähigeren und effizienteren DAI-Systemen führt. Innovationen in Sicherheitsmaßnahmen, wie verbesserte Verschlüsselung und Sicherheitstechnologien, werden die Sicherheit von DAI erhöhen und das Risiko von Datenverletzungen minimieren.

Chancen

DAI ermöglicht die Bewältigung anspruchsvoller KI-Aufgaben und die Verarbeitung großer Datenmengen, was zu neuen Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Finanzen und Verkehr führen kann. Durch die Förderung von Zusammenarbeit und Wissensaustausch zwischen Forschern und Entwicklern wird DAI die Innovation und Entwicklung von KI-Technologien weiter beschleunigen. Insgesamt wird DAI die Grenzen der Skalierung und Leistungsfähigkeit von KI-Systemen erweitern und damit einen bedeutenden Einfluss auf die Zukunft der künstlichen Intelligenz haben.

Was hat Edge Machine Learning mit Distributed AI zu tun?

Edge Machine Learning oder auch oft “learning on the edge”, ist nah mit der Distributed AI verwandt, denn es bezieht sich auf eine Technologie, bei der maschinelles Lernen (Machine Learning) auf Edge-Geräten oder -Knoten statt auf zentralisierten Servern oder der Cloud durchgeführt wird. Edge-Geräte sind typischerweise IoT-Geräte (Internet of Things), Smartphones, Sensoren oder andere eingebettete Systeme, die Daten sammeln und verarbeiten können.

Der Hauptvorteil von Edge Machine Learning liegt darin, dass die Verarbeitung von Daten und die Entscheidungsfindung näher an der Quelle der Daten erfolgen kann, anstatt alle Daten zur Analyse an entfernte Server oder die Cloud zu senden. Das ermöglicht schnellere Reaktionszeiten, reduzierte Netzwerkbelastung und eine gewisse Unabhängigkeit von einer stabilen Internetverbindung.

Durch die Implementierung von Machine Learning auf Edge-Geräten können diese autonomer und intelligenter agieren, da sie in der Lage sind, Daten lokal zu analysieren und zu interpretieren, ohne ständig auf die Cloud angewiesen zu sein. Allerdings gibt es auch Herausforderungen wie begrenzte Rechenleistung und Speicherplatz auf den Geräten sowie das Management und die Sicherheit von verteilten Machine Learning-Modellen.

Diese Synergie von Distributed AI und Edge Machine Learning ermöglicht die Schaffung intelligenter und autonomer Systeme, die in Echtzeit auf ihre Umgebung reagieren können und dennoch in einem dezentralen Netzwerk miteinander kommunizieren, um komplexe Aufgaben zu bewältigen.

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FAQ

Was ist Distributed AI?

Distributed AI ist ein Ansatz, bei dem künstliche Intelligenz in einer verteilten oder dezentralen Umgebung eingesetzt wird, indem Rechenressourcen und Daten auf mehrere Knotenpunkte oder Computer verteilt werden. Dadurch lassen sich komplexe KI-Aufgaben bewältigen und große Datenmengen effizient verarbeiten.

Was sind die Vorteile von Distributed AI?

Die wichtigsten Vorteile von Distributed AI sind die effiziente Verarbeitung großer Datenmengen und das Training komplexer KI-Modelle durch Verteilung der Rechenressourcen auf mehrere Knotenpunkte oder Computer. Zudem ermöglicht DAI die Skalierung von KI-Anwendungen und bietet eine robustere Architektur durch Redundanz und Widerstandsfähigkeit gegen Ausfälle.

Was sind die Grenzen von Distributed AI?

Die Grenzen von Distributed AI liegen in der Komplexität der Koordination und Kommunikation zwischen den verteilten Einheiten, was zu Latenzproblemen und ineffizienter Ressourcennutzung führen kann. Zudem besteht die Herausforderung, Datenschutz und Sicherheit in verteilten Umgebungen zu gewährleisten, da der Austausch von Daten zwischen den Knoten das Risiko von Datenschutzverletzungen erhöhen kann.

Was ist Edge Machine Learning?

Edge Machine Learning ist eine Technologie, die lokale Rechenleistung auf Edge-Geräten nutzt, um maschinelles Lernen direkt in der Nähe der Datenquelle auszuführen. Das ermöglicht schnellere Entscheidungsfindung und geringere Abhängigkeit von Cloud-Servern, während Datenschutz und Netzwerkbelastung optimiert werden.

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