OpenAI: GPT-4.5 開発の舞台裏：超大規模AIモデルの設計と訓練の技術的挑戦

Posted at 2025-04-12

OpenAI: Pre-Training GPT-4.5 より

Part 1: GPT-4.5開発の概要

GPT-4.5プロジェクトの全体像

GPT-4.5開発の最も重要な目標は、「GPT-4より10倍賢いモデル」を作ることでした。OpenAIは約2年前にこの目標を設定し、取り組み始めました。🎯

GPT-4.5は当初の予想を超えた成功を収め、ユーザーからは「GPT-4とは全く異なる体験」「明らかに優れている」という評価を受けました。この成功の背景には、大規模な計算資源と革新的な技術アプローチがありました。

この記事では、GPT-4.5の開発に携わったOpenAIの中核チームへのインタビューから、大規模AIモデルの開発プロセス、直面した課題、そして技術的洞察を紹介します。

GPT-4.5開発チーム

GPT-4.5の開発に関わったメンバーは多岐にわたりますが、主要メンバーには以下が含まれます：

Alex: 事前学習データを担当し、GPT-4.5の事前学習MLをリード
Amin Chian: OpenAIのチーフシステムアーキテクト、システムとネットワーキングを広く監督
Dan: データ効率とアルゴリズムを担当

GPT-4.5の開発には、OpenAIのほぼ全社的な努力が必要でした。これは数百人規模のチームが関わる巨大プロジェクトでした。📋

プロジェクトのタイムラインとスケール

GPT-4.5プロジェクトは約2年前に開始され、新しい大規模なコンピューティングクラスターが利用可能になることを見越して計画されました。大規模な事前学習モデルの開発プロセスは以下のように構成されます：

構想段階: ML側とシステム側の協働から始まる
計画段階: 訓練するモデルの仕様を決定
実行段階: 実際の訓練プロセスの開始と管理

GPT-4.5の開発計画は非常に綿密に行われ、実際の訓練開始の約1年前から準備が始まりました。これには複数の大規模なリスク低減のための実験実行が含まれていました。

しかし、予測はしばしば実際と異なり、実行段階では多くの未解決の問題に対処しなければなりませんでした。これはプロジェクト全体を通じて常に存在する課題でした。⏱️

Part 1まとめ: GPT-4.5の開発は、OpenAIにとって前例のない規模のプロジェクトでした。「GPT-4より10倍賢いモデル」という明確な目標の下、数百人のチームが2年近くかけて取り組みました。このプロジェクトは、MLとシステム設計の密接な協力、綿密な計画、そして実行中の継続的な問題解決を特徴としています。

Part 2: スケールの壁：技術的挑戦

システムアーキテクチャの課題

GPT-4.5の訓練は、GPT-4と比較して約10倍のスケールアップを目指していました。このスケールアップが直面した最大の課題は、単に「より多くのGPU」を使うことではなく、それらを効率的に協調させる点にありました。🔄

GPUの数が10,000台から100,000台に増えると、システム的な問題は線形ではなく指数関数的に複雑になります：

小規模では稀な障害が、大規模では日常的に発生
ネットワーク通信のボトルネックが顕著に
システム全体の同期と調整が格段に難しくなる

Aminは、「スケールで観察される問題は、注意深く見れば小規模でも観察できますが、稀な出来事が大規模では壊滅的になります」と説明しています。

GPT-4.5の訓練は、GPT-4と同じシステムスタックでは不可能でした。多クラスタートレーニングへの移行やステート管理アプローチの変更など、多くの根本的な変更が必要でした。

ハードウェアの制限と解決策

GPT-4.5訓練において、ハードウェア関連の課題は非常に顕著でした：

多様な障害パターン: 大量のハードウェアを使用することで、ベンダーさえ観測したことのない障害パターンが発生
新世代ハードウェアの初期問題: 新しいGPUなどのハードウェアは初期段階で多くの予測不可能な問題を抱えている
コンポーネント障害率: 訓練中の作業ステップの何パーセントかは常に何らかのコンポーネント障害により失敗

特に、訓練の初期段階では障害率が高く、徐々に根本原因を特定して解決することで安定していきました。Aminによれば「実行の早い段階では障害率が非常に高く、時間と共に大幅に改善する」という典型的なパターンが見られました。

これに対応するため、OpenAIは多層的なモニタリングと障害検出システムを構築しました：

ハードウェア障害
ML関連の問題
コード内の競合状態

などを区別できるよう設計されています。⚙️

ネットワークとインフラの問題

10万台規模のGPUを協調させるには、極めて効率的なネットワークインフラが必要です。GPT-4.5訓練における主なネットワーク課題は：

帯域幅制限: モデルパラメータと勾配を同期するための膨大な帯域幅が必要
レイテンシ問題: 分散システム全体の同期が遅延すると訓練効率が低下
ネットワーク輻輳: 特定のパターンで通信が集中することによる輻輳
トランスポートレベルの問題: Aminが特に指摘したネットワークトランスポートレベルの障害

Aminは、将来のシステム改善について聞かれた際に、アプリケーションレベルではなく「ネットワークトランスポートがその仕事をして、利用可能な帯域幅を提供すること」を挙げています。

現実には、障害は常に存在するものとして設計する必要があり、完全に障害のないシステムを目指すのではなく、障害に強いシステム設計が重要でした。

システム課題まとめ: GPT-4.5のシステムアーキテクチャは、単なるスケールアップではなく、根本的な再設計を必要としました。10倍のスケールアップは、新たな障害モード、複数クラスター間の調整、ネットワークインフラの限界など、予測不可能な問題をもたらしました。OpenAIはこれらの課題に対して、新しいステート管理アプローチ、障害検出システム、そして何より「実行しながら学び、適応する」文化で対応しました。

機械学習の課題

データ効率とアルゴリズム

GPT-4.5開発において、顕著な変化が訪れました：計算制約からデータ制約への移行です。これは大規模AIモデル開発の歴史における重要な転換点です。🔄

Danは、データ効率の重要性について次のように説明しています：

「トランスフォーマー（GPT）は、データから情報を吸収し、圧縮して一般化することに優れています。しかし、データからどれだけ深い洞察を得られるかには上限があります。コンピュート量がどんどん増えていくと、標準的なパラダイムではデータがボトルネックになります。」

データ効率の課題：

利用可能なデータの限界: 質の高いデータには限りがある
同じデータからより多くを学ぶ: 同量のデータからより多くの学習をさせる必要がある
アルゴリズムイノベーション: データ効率を向上させるアルゴリズムの開発が必要

人間と比較した場合、現在のAIアルゴリズムのデータ効率はまだ「天文学的に」低いレベルです。Danは人間レベルのデータ効率と比較して「言語においては100,000倍から1,000,000倍の開き」があると推測しています。

これまで計算リソースが主な制限要因だったため、データ効率への注力は限られていました。しかし、GPT-4.5開発を通じて、この状況が変わりつつあります。Danは「今、AIリサーチの新たな段階に入りつつあり、データ効率の向上に向けて10%ここで、20%そこで、と積み上げていくことになる」と述べています。

予測と現実のギャップ

GPT-4.5の開発において、訓練前の予測と実際の結果には大きなギャップがありました。このギャップは、MLとシステムの両方の側面で発生しました。📊

システム側の予測と現実:

実行時間は予想よりも長くなりました
初期の障害率は予想を上回りました
システムの安定性は徐々に向上していきました

Alexによれば、「私たちが最も驚いたのは、MLの様々な側面やそれらの規模がどのように拡大するか、または拡大しないかということでした」。事前に行った多くの実験にもかかわらず、完全なスケールでの振る舞いを正確に予測することは困難でした。

予測と実際のギャップに対応するために、OpenAIは以下のアプローチを採用しました：

継続的なモニタリング: 損失曲線や他の統計を常に監視
実行中の改善: 訓練中でもMLコード設計の改善を継続
チーム間の境界を超えた協力: 「私の仕事は終わり、あなたに渡す」という態度ではなく、全体で協力

Alexは「私たちはみな損失曲線を見ることに多くの時間を費やしました」と述べており、これはモデルの健全性を評価する上で重要な活動でした。

ML課題まとめ: 機械学習の観点からGPT-4.5開発の最大の発見は、AIの開発が「計算制約」から「データ制約」の時代に移行したことです。この変化は、今後のAI研究の方向性を大きく変える可能性があります。OpenAIのチームは、継続的なモニタリング、チーム間の協力、そして「パラノイアレベル」の注意深さを通じて、予測と現実のギャップに対応しました。

Part 3: 発見と洞察

システムとMLの共同設計

GPT-4.5開発の最も重要な技術的ブレークスルーの一つは、システムとML（機械学習）の共同設計アプローチでした。このアプローチは、前例のないスケールでのモデル訓練を可能にしました。🔧

共同設計の必要性：

GPT-4.5はGPT-4と同じシステムスタックでは訓練不可能だった
MLの要件とシステムの制約を個別に最適化するのではなく、全体として最適化する必要があった
モデル仕様とシステムアーキテクチャを同時に設計することで、より効率的な訓練が可能に

Alexによると、「この計画は訓練開始の6〜9ヶ月前に遡り、特にシステムとの共同設計に焦点を当てた大規模なリスク低減実験を行いました。」

共同設計の具体例：

モデルシェイプの最適化: システム効率を最大化するためのレイヤーサイズや次元の調整
通信パターンの最適化: ネットワーク輻輳を減らすための通信戦略
メモリ使用の最適化: 利用可能なGPUメモリを最大限に活用するための戦略

Aminは「理想的には、すべてを切り離して、お互いに最大限の余地を与えたいところです。しかし、時にはインフラの要件に合わせて調整する必要があります」と説明しています。

共同設計は短期的には複雑さを増しますが、GPT-4.5のような超大規模モデルでは、この複雑さを受け入れることが唯一の実行可能な道でした。

「単一バグ理論」のケーススタディ

GPT-4.5訓練中の最も興味深いエピソードの一つは、「単一バグ理論」と呼ばれるようになった問題解決の事例です。この事例は、大規模モデル訓練におけるデバッグの難しさと、予想外の場所に問題が潜んでいる可能性を示しています。🐞

状況：

訓練中、様々な症状を示す複数の正確性問題が発生
これらは別々の問題であると考えられていた
複数のデバッグスレッドが並行して進行

解決プロセス：

チームは様々な「理論」を立て、最も可能性の高い原因について投票
最も票を集めなかった理論が、実際には正解だった
原因はPyTorchのsum関数の小さなバグ

Aminによると、「バグは非常に低い頻度でしか発生せず、データ分布に依存していました。しかし、それはすべての奇妙な症状の原因でした」。

この事例から得られた教訓：

大規模モデル訓練では、低頻度の問題でも無視すべきではない
問題は最も複雑な部分ではなく、シンプルな場所に潜んでいることがある
徹底的なデバッグ文化が重要

このケースは、大規模分散システム内の問題診断の複雑さを示す完璧な例です。最終的には、単一の小さなバグが多くの異なる症状を引き起こしていました。

スケーリング則の理解

GPT-4.5の開発は、AIの「スケーリング則」に関する理解を深め、検証する大規模な実験でもありました。スケーリング則は、計算リソースとデータ量の増加に伴い、AIモデルのパフォーマンスがどのように向上するかを記述する法則です。📈

スケーリング則の重要性：

予測可能性: モデルサイズ、データ量、計算量を増やすと、テスト損失（予測精度の指標）がどれだけ改善するかを予測できる
投資判断: より大きなモデルに投資すべきかどうかを判断する基準を提供
知性の向上: テスト損失の改善が、モデルの実際の知性向上にどう対応するかを示す

GPT-4.5開発チームは、スケーリング則が引き続き有効であることを確認しました。Danは次のように述べています：

「GPTパラダイムの二つの特徴は、テスト損失が予測可能であること、そしてより低いテスト損失が、すべての無形で神秘的な方法で、より高い知性を意味するということです。」

スケーリング則の予測と実際の検証プロセス：

スケーリング則に関する重要な哲学的疑問も議論されました：なぜスケーリング則が宇宙の性質のように機能するのか？Danは次のように説明しています：

圧縮と知性の関係: より良い圧縮はより高い知性につながるという哲学的根拠がある
概念の希少性: 世界のデータにおいて関連する概念は「疎」であり、べき乗則に従う
長いテール: 100番目に重要な概念は、文書の100分の1にしか現れないという特性がある

この理解は、より効率的なデータセットとアルゴリズムの開発に向けた指針を提供しています。

知能における圧縮の役割

GPT-4.5開発チームとのディスカッションで、Danは知能における「圧縮」の中心的役割について興味深い洞察を共有しました。この視点は、なぜ教師なし学習（事前学習）が機能するのかを理解する鍵となります。🧠

圧縮と知能の関係：

理想的な知能: 「ソロモン帰納」と呼ばれる理想的な知能は、可能な限りの宇宙を考慮し、シンプルな宇宙をより複雑な宇宙よりも可能性が高いと考える
最短プログラム: これは、これまで見たすべてを計算する最短のプログラムを見つけることで近似できる
事前学習の役割: 事前学習は、人間が生み出したすべてのデータを説明する最短のプログラムを見つけようとする圧縮過程と見なせる

しかし、大きな疑問が生じます：巨大なモデルがどのように圧縮として機能するのか？ 通常、統計学では小さなモデルが大量のデータを圧縮すると考えられますが、GPTモデルは巨大で、データと同じくらいのスケールです。

Danは「前順序的圧縮」（prequential compression）という概念でこれを説明します：

「訓練中に急速に学習するという事実は、それを素晴らしい圧縮器に変えられることを意味します。重みが大きくても、バイナリは重みを保存する必要はありません。バイナリは解凍するためにゼロから事前学習できます。非常に速く学習するということは、そのデータのほとんどを非常に少ないビットでエンコードできるということです。」

この前順序的圧縮の視点は、GPTモデルが本質的に圧縮器であり、それゆえに知性を生み出す理由の「満足のいく説明」を提供しています。

評価手法とメトリクス

モデルの評価方法は、GPT-4.5開発において重要な側面でした。チームは、モデルの真の知性をどのように測定するかという課題に取り組みました。📊

評価における主な課題：

人間向けテストの問題: 人間が解読可能なテスト（例：大学入試）に基づいてモデルを評価すると、暗記を促進し、実際の知性を犠牲にするリスクがある
メモリ化とテストリーク: インターネット全体で訓練すると、ほとんどのテストがオンラインで見つかるため、テストがメモリ化の測定になってしまう
一般化の測定: 真の目標は暗記ではなく、一般化能力を測定すること

OpenAIのアプローチ：

パープレキシティ（perplexity）: 未見のデータをどれだけうまく圧縮できるかを測定
分布外一般化: 訓練データに存在しない新しい分布での性能を測定
厳格なテストセット隔離: テストセットがトレーニングセットに含まれていないことを確認する厳格なプロセス

Danによれば、「私たちが見ているキーテストセットについては、トレーニングセットに少しでも存在していないことを非常に気にしています。なぜなら、それが私たちのスケーリング則の方法をすべて狂わせてしまうからです。」

興味深いことに、OpenAIは内部コードベース（モノレポ）に対するパープレキシティが、モデルの実際の知性と強く相関することを発見しました。これは一見奇妙に思えますが、実際には一貫して有効な指標であることが判明しました。

発見と洞察まとめ: GPT-4.5開発における理論的洞察は、AIの本質に関する深い理解を提供しています。スケーリング則が引き続き有効であることが確認され、テスト損失の小さな改善が、予想を超える知性の向上につながることが示されました。また、圧縮としての知能という視点は、なぜ事前学習が機能するのかについての説得力のある説明を提供しています。

Part 4: AI開発の未来

データ効率：新たなフロンティア

GPT-4.5の開発を通じて明らかになった最も重要な洞察の一つは、データ効率が今後のAI開発における中心的課題になるということです。この変化は、AIの歴史における重要な転換点を示しています。📝

データ効率が重要な理由：

計算からデータへの制約移行: GPT-4までは主に計算力が制約でしたが、GPT-4.5からデータが主要な制約に
質の高いデータの限界: 質の高いデータの量には実質的な制限がある
人間との効率ギャップ: 現在のAIアルゴリズムは人間と比較して「天文学的に」データ効率が低い

Danによれば、言語においては人間とAIのデータ効率の差は「100,000倍から1,000,000倍」にも達します。

データ効率改善のアプローチ：

アルゴリズムイノベーション: 同じデータからより多く学ぶアルゴリズムの開発
データ選択の最適化: わずかなデータで最大の学習効果を得るための戦略
分野間の知識移転: 異なるドメインからの学習を効率化

Danは将来の可能性について楽観的です：「数十年にわたり、ディープラーニングは計算効率に関するものでした。データと計算の成長に加えて魔法的なのは、アルゴリズムの変更が非常にうまく積み重なることです。...今、AIリサーチの新たな段階に入り、データ効率の向上が10%ここで、20%そこでと積み上がっていくでしょう。」

システムのボトルネックと将来の訓練規模

超大規模AIモデルの訓練には、ハードウェアとシステムアーキテクチャの両方に関する根本的な制約があります。GPT-4.5の経験から、チームはこれらの制約についての洞察を得ました。⚙️

現在のボトルネック：

障害耐性: Aminによれば、将来の10倍のスケールアップには「耐障害性」が必要
ネットワークトランスポート: アプリケーションレベルではなく、トランスポートレベルでの信頼性向上が必要
システムとワークロードの共同設計: インフラだけでなく、ワークロードの特性に合わせたシステム設計が必要

インタビューの中で、将来の訓練規模についての興味深い質問がありました：「人類は1000万GPUまたはそれ以上の同期的事前学習を行うことがあるでしょうか？」🌐

チームの回答は示唆に富んでいます：

Alex: 正確に事前学習という形ではないかもしれないが、1000万GPU規模の訓練は行われるだろう
Amin: 完全に同期的ではなく「半同期的」になるだろう - 「自然の法則は曲げられない」
Dan: より分散化された形になり、「脳のすべての部分が必ずしも互いに通信しているわけではない」

将来の展望について、チームは以下のような見解を示しました：

GPT-6のスケール: 現在のデータ、アルゴリズム、システムの制約の下でも、GPT-5.5（GPT-4.5の100倍）までは可能
データ効率アルゴリズム: より効率的なアルゴリズムを開発することで、GPT-6やそれ以上も可能
システムアーキテクチャの根本的変革: 将来のシステムは、現在とは根本的に異なる設計になる可能性がある

教師なし学習の理論的基盤

GPT-4.5開発チームとの対話の中で最も深い洞察の一つは、なぜ教師なし学習（事前学習）が効果的なのかについての議論でした。これはAIの基本原理に関わる重要な哲学的問いです。🧩

Danは、教師なし学習の成功を「圧縮」の観点から説明しました：

「理想的な知能は『ソロモン帰納』と呼ばれます。基本的に、どの宇宙にいるのか不確かで、可能なすべての宇宙を想像し、シンプルな宇宙を複雑な宇宙よりも可能性が高いと考えます。...これは、これまで見たすべてを計算する最短のプログラムを見つけることで近似できます。」

事前学習がこの「圧縮」として機能する理由：

データの圧縮: 事前学習は、大量のデータを効率的に圧縮するプロセス
接続の発見: 異なるものの間の接続を見つけることで、アナロジーや抽象化が可能に
前順序的圧縮: 学習の速さが、効率的な圧縮器を作り出す

この視点は、GPTモデルの能力の根本的な理解に寄与し、将来のAI研究の方向性に影響を与える可能性があります。

事前学習と推論の架け橋

GPT-4.5の開発を通じて得られた重要な洞察の一つは、事前学習モデルと推論能力の関係についての理解です。これは、AIの将来の発展にとって重要な側面です。🌉

事前学習と推論の特性：

事前学習の一般性: 事前学習は非常に幅広く、あらゆることに一般的に適用可能な能力を生み出す
推論の特殊性: 推論訓練は、特定のカテゴリの問題において非常に優れた能力を生み出すが、その範囲は限られている
相補性: この二つのアプローチは互いに補完し合う

Alexは「より良い事前学習と教師なし学習は、モデルの幅広い知性を向上させ、一般化を大いに助けます。これは推論と非常に補完的であることがわかりました」と説明しています。

Dan はさらに深い洞察を提供しています：

「事前学習はデータを圧縮することに関するものです。データの圧縮とは、異なるもの間の接続を見ることです。アナロジーや抽象化についてです。推論は特定の問題に関するものです。注意深く考えるスキルと技術があります。注意深く考えることで、様々な領域での多くの種類の問題解決が可能になります。しかし、事前学習がドメイン間で圧縮する方法とは異なる、より抽象的なレベルでの学習があります。」

将来の方向性：

事前学習のさらなる拡大: 基盤モデルの能力をさらに向上させる
特化した推論能力の開発: 特定のドメインでの高度な推論能力
二つのパラダイムの統合: より緊密に統合された訓練アプローチ

AI開発の未来まとめ: AI開発の未来は、データ効率の向上とシステムアーキテクチャの根本的変革によって形作られるでしょう。GPT-4.5の開発は、AIが「計算制約」から「データ制約」の時代に移行したことを示す転換点となりました。将来の超大規模モデルは、より分散化された「半同期的」なアーキテクチャへと移行する可能性が高く、事前学習と推論の統合がAIの次なる飛躍をもたらすかもしれません。

全体のまとめ

GPT-4.5の開発は、OpenAIにとって前例のない挑戦であり、大規模言語モデル開発の新たな時代の始まりを示しています。「GPT-4より10倍賢いモデル」という明確な目標から始まったこのプロジェクトは、計算能力、システム設計、機械学習アルゴリズムの限界を押し広げました。

開発チームは、以下のような重要な発見と洞察を得ました：

計算制約からデータ制約への移行: AI開発の焦点が計算能力の増強からデータ効率の向上へとシフト
システムとMLの共同設計の重要性: 超大規模モデルには、システムとMLの緊密な協力が不可欠
スケーリング則の継続的な有効性: より多くの計算とデータは、予測可能な形で知性を向上させ続ける
知能としての圧縮: 教師なし学習は、データの効果的な圧縮として理解できる
事前学習と推論の相補性: 広範な知識獲得と特定問題への集中という二つのアプローチの相補的な関係

GPT-4.5の開発プロセスは、失敗と成功の両方から学び、予想外の障害に対応し、継続的に改善するチームの能力を示しています。「単一バグ理論」のケースは、分散システムにおけるバグ追跡の難しさと、徹底的なデバッグ文化の重要性を示す好例です。

将来に目を向けると、AI開発は以下の方向に進化する可能性があります：

データ効率アルゴリズムの開発に焦点を当てた研究
より耐障害性の高いシステムアーキテクチャの設計
より分散化された「半同期的」な訓練アプローチ
事前学習と推論の統合による、より強力でバランスの取れたAIシステム

GPT-4.5の成功は、単なる技術的な進歩を超え、AI開発の将来に対する新たな視点と可能性を示しています。OpenAIの経験から得られた教訓は、次世代のAIシステムの開発を導く貴重な指針となるでしょう。

理解度チェックのクイズ

以下の質問に答えて、GPT-4.5開発についての理解を確認してみましょう：

GPT-4.5開発の主要な目標は何でしたか？
- GPT-4より消費電力を50%削減すること
- GPT-4より10倍賢いモデルを作ること
- 訓練時間を半分にすること
- より少ないパラメータ数で同等の性能を実現すること
GPT-4.5開発で発見された「単一バグ理論」とは何に関係していましたか？
- 単一の大きなバグを修正することの重要性
- PyTorchのsum関数の小さなバグが多くの異なる症状を引き起こしていた現象
- 一つのバグだけを修正すれば全てのシステムが正常に動作するという理論
- 訓練開始前に全てのバグを修正する必要がある理論
チームによれば、AIの今後の開発において最も重要な課題は何ですか？
- より多くのGPUの調達
- ネットワーク帯域幅の向上
- データ効率の向上
- 電力効率の改善
なぜ教師なし学習（事前学習）は効果的なのですか？
- 単に大量のデータを記憶するから
- データを効果的に圧縮し、パターンを抽出するから
- 明示的なルールを設定するから
- 人間の監督が常に行われるから
GPT-4.5開発チームによれば、将来の1000万GPU規模の訓練は何のようになるでしょうか？
- 完全に同期的なシステム
- 「半同期的」でより分散化されたシステム
- 小さな独立したモデルの集合体
- 不可能である

答え

GPT-4より10倍賢いモデルを作ること
PyTorchのsum関数の小さなバグが多くの異なる症状を引き起こしていた現象
データ効率の向上
データを効果的に圧縮し、パターンを抽出するから
「半同期的」でより分散化されたシステム

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