MLOps

23. Oktober 2024

MLOps, kurz für Machine Learning Operations, ist eine Praxis, die darauf abzielt, den Prozess der Entwicklung, Bereitstellung und Verwaltung von Machine-Learning-Modellen zu automatisieren und zu optimieren. Ähnlich wie DevOps, das die Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Betrieb in der Softwareentwicklung fördert, verbindet MLOps die ML-Anwendungsentwicklung (Dev) mit der Systembereitstellung und dem Betrieb (Ops). MLOps erleichtert den gesamten Lebenszyklus von Machine-Learning-Projekten – von der Datenvorbereitung und dem Modelltraining bis hin zur Bereitstellung und kontinuierlichen Überwachung.

Warum ist MLOps erforderlich?

Die Entwicklung und Produktion von Machine-Learning-Modellen ist ein komplexer Prozess, der aus vielen Schritten besteht, darunter Dateningestion, Datenaufbereitung, Modelltraining und -tuning, Bereitstellung und Überwachung. MLOps spielt hier eine zentrale Rolle, indem es diese Schritte automatisiert, skaliert und sicherstellt, dass die verschiedenen Teams, wie Data Science, IT und DevOps, effizient zusammenarbeiten. Eine optimale MLOps-Implementierung ermöglicht die Veröffentlichung neuer ML-Modelle parallel zu Anwendungscode- und Datenänderungen. Das Ziel ist es, die Bereitstellung von ML-Modellen so effizient und reibungslos wie möglich zu gestalten.

Die Hauptvorteile von MLOps

Effizienz: Durch MLOps können Unternehmen die Geschwindigkeit der Modellentwicklung und -bereitstellung erhöhen. Automatisierte Prozesse wie CI/CD (Continuous Integration and Continuous Delivery) tragen zur Effizienzsteigerung bei, indem sie die häufigen Iterationen bei der Modellentwicklung und -überwachung erleichtern.
Skalierbarkeit: MLOps ermöglicht es Unternehmen, eine große Anzahl von ML-Modellen effizient zu verwalten. Tausende von Modellen können gleichzeitig überwacht, aktualisiert und bereitgestellt werden.
Risikoreduktion: MLOps hilft Unternehmen, regulatorische Anforderungen zu erfüllen, indem es die Nachverfolgbarkeit von Modellen, Datensätzen und Bereitstellungen sicherstellt. Modelle werden kontinuierlich auf Genauigkeit und Compliance überwacht, um Risiken zu minimieren.

Kernkomponenten von MLOps

Der Umfang von MLOps in Machine-Learning-Projekten kann variieren, je nach Bedarf des Unternehmens. Typische Bereiche, in denen MLOps angewendet wird, umfassen:

Explorative Datenanalyse (EDA): Wiederholbare, editierbare und teilbare Datensätze und Visualisierungen, um die Daten für die Modellentwicklung vorzubereiten.
Datenvorbereitung und Feature Engineering: Transformieren, aggregieren und bereinigen von Daten, um qualitativ hochwertige Features zu erstellen, die über einen Feature Store mit anderen Teams geteilt werden können.
Modelltraining und -tuning: Verwendung von Open-Source-Bibliotheken wie scikit-learn oder AutoML-Tools, um die Modellentwicklung zu beschleunigen.
Modellüberprüfung und Governance: Verfolgen von Modellversionen und deren Lebenszyklen, um Modelle transparent zu überwachen und auf regulatorische Anforderungen zu reagieren.
Modellinferenz und -bereitstellung: Sicherstellen, dass Modelle regelmäßig aktualisiert und auf Produktionsniveau getestet werden, um eine kontinuierliche Bereitstellung zu gewährleisten.
Automatisierte Modell-Neuschulung: Automatisierte Systeme, die Modelle neu trainieren, wenn Daten- oder Modelländerungen festgestellt werden.

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Wichtige Prinzipien von MLOps

Versionskontrolle

Ähnlich wie bei der Softwareentwicklung ist die Versionskontrolle für die Nachvollziehbarkeit und Reproduzierbarkeit von ML-Modellen entscheidend. Jede Änderung im ML-Trainingscode, den Daten oder Modellen wird verfolgt und versioniert.

Automatisierung

Automatisierung ist das Herzstück von MLOps. Verschiedene Phasen der Pipeline, wie Datenvorbereitung, Modelltraining und Validierung, werden automatisiert, um Konsistenz und Wiederholbarkeit zu gewährleisten.

Kontinuierliches X

Hierzu gehören kontinuierliche Integration, kontinuierliche Bereitstellung, kontinuierliches Training und kontinuierliche Überwachung. Änderungen an Modellen, Daten oder Code lösen automatisch den Trainings- und Bereitstellungsprozess aus.

Modell-Governance

Die Überwachung und Verwaltung der gesamten ML-Pipeline ist von zentraler Bedeutung. Dies umfasst das Sammeln von Feedback zu Modellvorhersagen, den Schutz sensibler Daten und die Sicherstellung der Compliance mit gesetzlichen Vorschriften.

MLOps vs. DevOps

MLOps und DevOps ähneln sich, da beide darauf abzielen, den Prozess der Entwicklung, Bereitstellung und Überwachung von Software zu optimieren. Während DevOps jedoch auf den klassischen Softwareentwicklungszyklus fokussiert ist, bezieht sich MLOps speziell auf Machine-Learning-Projekte. Diese beinhalten nicht nur Code, sondern auch komplexe Daten- und Modellierungsanforderungen, die eine kontinuierliche Überwachung, Anpassung und Neuschulung erfordern.

Reifegrade von MLOps

Die Implementierung von MLOps kann in drei Stufen unterteilt werden:

MLOps Stufe 0: Unternehmen beginnen mit manuellen ML-Workflows, bei denen jeder Schritt, von der Datenvorbereitung bis zur Modellerstellung und -validierung, manuell ausgeführt wird.
MLOps Stufe 1: Diese Phase zielt auf die Automatisierung der ML-Pipeline ab, um Modelle kontinuierlich zu trainieren und bereitzustellen.
MLOps Stufe 2: Diese Stufe richtet sich an Unternehmen, die eine große Anzahl von Modellen verwalten und regelmäßig neue Modelle trainieren und einsetzen müssen. Hier werden Pipelines automatisiert und orchestriert, um die kontinuierliche Bereitstellung und Überwachung sicherzustellen.

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MLOps und Large Language Models (LLMs)

Beim Training von großen Large Language Models (LLMs) wie Dolly gibt es einige Unterschiede zum traditionellen MLOps. Die Berechnungskomplexität und die Notwendigkeit spezialisierter Hardware wie GPUs machen das Training und die Bereitstellung von LLMs anspruchsvoller. Techniken wie Transfer Learning und die Optimierung von Hyperparametern sind hier entscheidend, um die Effizienz und Kosten zu optimieren.

Fazit

MLOps ist unverzichtbar für Unternehmen, die Machine-Learning-Modelle effektiv nutzen wollen, um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Durch die Automatisierung und Optimierung der gesamten Pipeline können Unternehmen schneller und effizienter auf Marktveränderungen reagieren, ihre Modelle in Produktion bringen und den Mehrwert von Machine Learning kontinuierlich steigern.

FAQ

Welche Vorteile bietet der Einsatz von MLOps in Unternehmen?
MLOps (Machine Learning Operations) verbessert die Effizienz, Skalierbarkeit und Sicherheit beim Einsatz von KI-Modellen. Automatisierte Prozesse wie CI/CD beschleunigen die Entwicklung und Bereitstellung von Modellen. Gleichzeitig lassen sich tausende Modelle gleichzeitig verwalten, überwachen und aktualisieren – auch in großem Maßstab. Zudem reduziert MLOps Risiken, da Modelle und Datensätze jederzeit nachvollziehbar bleiben und kontinuierlich auf Genauigkeit und regulatorische Anforderungen geprüft werden.

Welche Prinzipien sind zentral für MLOps?
Zentrale Prinzipien von MLOps sind Versionskontrolle, um Änderungen an Code, Daten und Modellen nachvollziehbar zu machen, sowie Automatisierung aller Schritte der Pipeline – etwa Datenvorbereitung, Training und Validierung. Unter kontinuierlichem X versteht man kontinuierliche Integration, Bereitstellung, Training und Überwachung, bei denen Änderungen automatisch neue Abläufe anstoßen. Modell-Governance sorgt für Feedback-Management, Datenschutz und die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben.

Welche Reifegrade gibt es bei der Implementierung von MLOps?
Die Implementierung von MLOps lässt sich in drei Reifegrade unterteilen. In Stufe 0 erfolgen alle Schritte – von der Datenvorbereitung bis zur Modellvalidierung – manuell. In Stufe 1 beginnt die Automatisierung: Die ML-Pipeline wird so gestaltet, dass Modelle kontinuierlich trainiert und bereitgestellt werden können. Stufe 2 richtet sich an Unternehmen mit vielen gleichzeitig eingesetzten Modellen. Hier werden Pipelines vollständig automatisiert und orchestriert, um eine effiziente Verwaltung, kontinuierliche Bereitstellung und Überwachung sicherzustellen.