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MLOps 공부 시작해보기

♻️ MLOps의 정의와 전체 Workflow를 설명하고, MLOps에 대한 개발 원칙을 소개합니다.

Posted Updated
By Seoyoung Oh
45 min read
MLOps 공부 시작해보기

KEYWORDS
MLOps란, MLOps 프레임워크, MLOps 파이프라인, MLOps 예시, MLOps 입문, MLOps, Machine Learning Operation

     

MLOps 정의

  • MLOps는 머신러닝 및 데이터 과학을 DevOps에 포함시키기 위한 DevOps 방법론의 확장을 의미합니다.
  • Machine Learning Engineering(MLE)
    • 머신러닝 및 전통적 소프트웨어 엔지니어링의 과학적 원리, 도구, 기술을 사용하여 복잡한 컴퓨팅 시스템을 설계하고 구축하는 것입니다.
    • 데이터 수집에서 모델 구축에 이르기까지 모든 단계를 포괄하여, 제품이나 소비자가 모델을 사용할 수 있도록 하는 것을 뜻합니다.

     

MLOps 역사

  • 2000년대 초반에는 SAS, SPSS, FICO와 같은 공급업체의 라이선스 소프트웨어를 사용하여 머신러닝 솔루션을 구현했습니다.
  • 오픈 소스 소프트웨어의 등장과 데이터의 가용성으로 Python 또는 R 을사용하여 머신러닝 모델을 학습하기 시작했습니다.
  • 컨테이너화 기술이 등장하면서 Docker 컨테이너와 Kubernetes를 사용하여 확장 가능한 방식으로 모델을 배포하게 됩니다.
  • 최근에는 이러한 솔루션이 모델 실험, 학습, 배포 및 모니터링의 전체 반복을 포괄하는 ML 배포 플랫폼으로 진화하고 있습니다.

fig1 An evolution of the MLOps 1

     

ML 프로젝트 설계하기

  • How costly are wrong predictions?
    • 문제는 무엇인가? 최종 사용자를 위해 어떤 목적으로 무엇을 하려고 하는가?
    • 왜 중요한가?
    • 최종 사용자는 누구인가?
  • Machine Learning Canvas
    • ML 프로젝트를 구조화하고 프로젝트를 실현하기 위한 핵심 요구 사항을 지정하는데 도움이 됩니다.

fig2 Machine Learning Canvas by Louis Dorard 1

     

ML Workflow

  • DevOps의 확장 기능인 MLOps는 ML 모델을 설계, 구축 및 Production에 배포하는 것과 관련된 효과적인 프로세스를 수립합니다.

1. Data Engineering + 2. ML Model Engineering + 3. Code Engineering

  1. 데이터 수집 및 데이터 준비
  2. ML 모델 학습 및 제공
  3. ML 모델을 최종 제품에 통합

1. Data Engineering

  • 데이터 통합, 데이터 과학, 데이터 발견 및 분석, BI 사용 사례를 위해 원천 데이터를 탐색, 결합, 정리 및 큐레이팅 된 데이터 셋으로 변환하는 작업입니다.
  • 리소스와 시간 측면에서 가장 비용이 많이 드는 단계입니다.
  • 해당 과정의 데이터 오류는 다음 단계인 데이터 분석으로 전파되기 때문에 이를 방지하는 것이 중요합니다.
  • 과정
      1. 데이터 수집 ㅣ Spark, HDFS, CSV 와 같은 프레임워크 형식을 통해 데이터를 수집함, 합성 데이터 생성 및 데이터 보강도 포함될 수 있습니다.
        • 데이터 소스 식별: 데이터를 찾아 데이터 출처를 문서화
        • 공간 추정 및 공간 위치 생성: 저장 공간 확인 및 충분한 보관 공간의 작업 공간 생성
        • 데이터 수집 및 백업: 쉽게 조작가능한 형식으로 변환, 항상 데이터 사본으로 작업 후 원본은 손상되지 않도록 보관
        • 개인 정보 보호 준수: 익명 처리
        • 메타 데이터 카탈로그: 크기, 형식, 별칭, 마지막 수정 시간 및 액세스 제어 목록에 대한 기본 정보 문서화
        • 테스트 데이터: 테스트 세트 샘플링, 데이터 스누핑 방지를 위한 열람 금지
      2. 탐색 및 검증 ㅣ 데이터 내용 및 구조에 대한 정보를 얻기 위한 데이터 프로파일링 과정입니다.
        • 해당 단계의 출력은 값의 최대, 최소, 평균값과 같은 메타 데이터 집합입니다.
        • 해당 검증을 통해 데이터 셋을 스캔하여 오류를 발견할 수 있습니다.
        • RAD 도구 사용: Jupyter 노트북을 통한 EDA 및 실험 기록 보관
        • 속성 프로파일링: 각 속성에 대한 메타 데이터 생성 (이름, 기록 수, 데이터 유형, 수치적 측정, 누락된 값, 분포 유형)
      3. 데이터 정리 ㅣ 특정 속성을 다시 포맷하고 누락된 값을 대체하는 등의 데이터 오류를 수정하는 과정입니다.
        • 적용하고 싶은 변환 함수를 식별합니다.
        • 이상치를 수정하거나 제거합니다.
        • 누락된 값을 채우거나 행/열을 삭제합니다.
        • 데이터 재구성: 열 이동을 통한 레코드 필드 생성, 레코드 필드 결합, 레코드 셋 제거를 통한 데이터 셋 필터링, 집계 및 피벗 활용
      4. 데이터 라벨링 ㅣ 각 데이터 포인트를 특정 카테고리에 할당 시키는 작업입니다.
      5. 데이터 분할 ㅣ ML 모델을 생성하는 핵심 머신 러닝 단계에서 사용할 수 있도록 데이터를 훈련, 검증, 테스트 데이터 셋으로 분할합니다..

     

2. ML Model Engineering

  • 머신러닝 알고리즘을 작성하고 실행하는 단계입니다.
  • 과정
      1. 모델 학습 ㅣ ML 모델을 학습하기 위해 학습 데이터에 머신러닝 알고리즘을 적용하는 프로세스를 뜻합니다.
        • Feature Engineering 과 Hyper-parameter Tuning 과정이 포함될 수 있습니다.
        • 모델 엔지니어링은 반복적인 과정을 포함할 수 있으며 다음과 같은 Workflow를 포함합니다.
          • 모든 ML 모델 정의 코드는 코드 검토를 거쳐 버전 관리 되어야합니다.
          • 표준 매개변수를 사용하여 다양하고 많은 ML 모델을 학습합니다.
          • 성능을 측정하고 비교하며 교차 검증을 통해 성능 측정의 평균과 편차를 계산합니다.
          • ML 모델의 오류 유형을 분석하고, 가장 유망한 3~5개 모델을 택하여 앙상블 방법을 고려합니다.
      2. 모델 평가 ㅣ ML 모델을 Production에서 최종 사용자에게 제공하기 전, 훈련된 모델이 원래 명시된 목표를 충족하는지 확인하기 위해 검증하는 과정입니다.
      3. 모델 테스트 ㅣ Hold Backtest Dataset을 사용하여 최종 Model Acceptance Test를 수행합니다.
      4. 모델 패키징 ㅣ 최종 ML 모델을 비즈니스 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 모델을 설명하는 특정 형식으로 내보냅니다.
        • PMML, PFA, ONNX

ML Architecture Style

    1. 모델 학습
      • 오프라인 학습 (배치/정적 학습) ㅣ 이미 수집된 데이터 셋으로 학습합니다.
        • Production 환경에 배포 후, ML 모델은 재학습될 때까지 일정하게 유지됩니다.
      • 온라인 학습 (동적 학습) ㅣ 모델은 새로운 데이터(데이터 스트림) 이 도착하면 정기적으로 재학습 됩니다.
    2. 모델 예측
      • 일괄 예측 ㅣ 배포된 ML 모델은 과거 입력 데이터를 기반으로 일련의 예측을 수행합니다.
      • 실시간 예측 ㅣ 요청 시점에 사용 가능한 입력 데이터를 사용하여 실시간으로 예측을 생성합니다.

ML Model Architecture Patterns

fig3 Model Serving Patterns 1

  • Forecast
    • 머신러닝 시스템을 만드는 가장 쉬운 방법이므로 학술 연구 및 실험에 사용됩니다.
    • 일반적으로 사용 가능한 데이터 셋을 가져와 ML 모델을 학습한 후, 해당 모델을 다른 데이터에서 실행하면 ML 모델이 예측을 수행합니다.
    • Production 시스템에는 일반적으로 부적합합니다.
  • Micro Service
    • 입력 데이터를 가져와 입력 데이터 포인트에 대한 예측을 출력합니다.
    • 해당 모델은 과거 데이터에 대해 오프라인으로 학습되지만, 실시간 데이터를 사용하여 예측합니다.
    • 예측(배치 예측)과의 차이점은 ML 모델이 거의 실시간으로 실행되고 모든 데이터들을 한 번에 처리하는 대신 한 번에 하나의 레코드를 처리한다는 것입니다.
    • 마이크로서비스는 실시간 데이터를 사용하여 예측을 수행하지만 모델은 다시 학습되고 Production 시스템에 다시 배포될 때 까지 일정하게 유지됩니다.
    • 학습된 모델을 배포 가능한 서비스로 래핑하기 위한 아키텍쳐

fig4 Model Serving Microservices 1

  • Online Learning
    • 실시간 스트리밍 분석, 증분 학습
    • ML 학습 알고리즘은 단일 데이터 포인트 또는 미니 배치라고 하는 소규모 그룹으로 데이터 스트림을 지속적으로 수신합니다.
    • 데이터가 도착하는 대로 즉시 학습하므로 ML 모델은 새 데이터로 점진적으로 재학습 되며 해당 모델은 마이크로서비스에 즉시 사용할 수 있습니다.
    • 빅데이터 시스템의 람다 아키텍쳐와 잘 맞습니다.
      • 일반적으로 입력 데이터는 이벤트 스트림이고, ML 모델은 시스템에 입력되는 데이터를 가져와 예측을 제공하고 이러한 새 데이터에 대해 다시 학습합니다.
      • Kubernetes 클러스터 또는 이와 유사한 서비스에서 서비스로 실행됩니다.
  • AutoML
    • Online Learning의 정교한 버전이며, 자동화된 머신러닝을 뜻합니다.
    • 모델을 업데이트 하는 대신, Production에서 전체 ML 모델 학습 파이프라인을 실행하여 즉석에서 새로운 모델을 생성합니다.

     

3. Code Engineering

  • 학습이 끝난 머신러닝 모델을 모바일 및 데스크톱 애플리케이션과 같은 비즈니스 애플리케이션의 일부로 배포합니다.
  • 과정
      1. 모델 Serving ㅣ Production 환경에서 ML Model Artifact를 처리합니다.
      2. 모델 성능 모니터링 ㅣ 이전에 보지 못한 데이터를 기반으로 ML 성능을 관찰하는 프로세스입니다.
        • 이전 모델 성능과의 예측 편차와 같은 ML 특정 신호에 주목해야 합니다.
          • 해당 신호를 모델 재학습의 Trigger로 활용할 수 있습니다.
      3. 모델 성능 로깅 ㅣ 모든 추론 요청은 로그 레코드로 생성됩니다.

Model Serving Pattern

  • ML 모델을 Production 환경에 통합하고 배포하는 방법입니다.
  • 종류
    • Model-as-Service
      • ML 모델을 독립적인 서비스로 래핑합니다.
      • 애플리케이션이 REST API나 gRPC를 통해 요청할 수 있습니다.
    • Model-as-Dependency
      • ML 모델을 패키징하여 소프트웨어 애플리케이션 내에서 종속성으로 사용합니다.
      • 특정 메서드를 호출하여 예측 값을 가져올 수 있습니다.
    • Precompute
      • 사전 계산된 예측 결과를 데이터베이스에 저장합니다.
      • 들어오는 데이터 배치에 대한 예측을 사전 계산하여 저장된 결과를 활용합니다.
    • Model-on-Demand
      • ML 모델이 필요할 때마다 사용 가능한 종속성으로 취급합니다.
      • 메세지 브로커 아키텍처를 통해 예측 요청을 처리합니다.
    • Hybrid-Serving
      • 위의 여러 패턴을 조합하여 사용할 수 있는 방식입니다.

배포 방식

  • Docker 컨테이너화
    • ML 모델을 Docker와 같은 컨테이너 기술을 사용하여 패키징합니다.
    • 독립적으로 실행 가능한 환경에서 모델을 운영할 수 있습니다.
  • 서버리스 함수 배포
    • 클라우드 서비스(AWS, Google Cloud 등) 을 통해 ML 모델을 서버리스로 배포하는 방법을 설명합니다.
    • 코드와 종속성을 하나의 .zip 파일로 패키징하여 클라우드 함수로 쉽게 배포할 수 있습니다.
  • ML 모델의 기능 제공
    • REST API 형태로 기능을 제공하여 외부 애플리케이션이 모델의 예측 결과를 쉽게 사용할 수 있게합니다.
  • 도커와 클라우드
    • Kubernetes와 같은 오케스트레이션 도구를 사용하여 도커 컨테이너에서 ML 모델을 관리하고 배포할 수 있습니다.

ML Model Serialization Formats

  • ML 모델 배포 시 활용가능한 형식입니다.

  • 개발 언어에 독립적입니다.

  • 종류
    • Amalgamation
      • ML 모델과 필요한 모든 코드를 하나의 패키지로 묶는 방법입니다.
      • 독립 실행형 프로그램으로 컴파일 가능하며, SKompiler 같은 도구를 활용해 Scikit-learn 모델을 SQL 쿼리, Excel 수식 등으로 변환할 수 있습니다.
      • 간단하고 이식성이 뛰어나며, 로지스틱 회귀와 같은 간단한 ML 알고리즘에 유리합니다.
    • PMML Predictive Model Markup Language
      • XML 기반의 모델 표현 형식 (.pmml 확장자)
      • 모든 ML 알고리즘을 지원하지 않으며, 일부 오픈 소스 툴에서는 사용 제한이 있습니다.
    • PFA Portable Format for Analytics
      • PMML을 대체하기 위해 설계되었습니다.
      • JSON 형식의 텍스트 문자열로 스코어링 엔진을 설명합니다.
    • ONNX Open Neural Network eXchange
      • ML 프레임워크와 무관한 파일 형식입니다.
      • 다양한 대형 기술 회사에서 지원하며, ML 모델을 ONNX 형식으로 직렬화하면 여러 도구에서 사용할 수 있습니다.
      • 대부분의 딥러닝 도구가 ONNX를 지원합니다.

     

MLOps 원칙

  • MLOps는 기술 부채를 피하는 것을 목표로 하며, 이는 머신러닝 애플리케이션에서 발생할 수 있는 어려움을 최소화하려는 노력을 의미합니다.
  • 최적의 MLOps 경험은 머신러닝 자산이 모든 소프트웨어 자산과 일관되게 처리되는 것이 라고 정의되며, 이는 CI/CD 환경 내에서 이루어집니다.
  • MLOps를 통해 머신러닝 모델은 이를 감싸는 서비스 및 이를 소비하는 서비스와 함께 배포되어야 하며, 일관된 Release 프로세스의 일환으로 진행됩니다.

     

자동화 Automation

  • 수동 프로세스 ㅣ 초기 머신러닝 구현 단계에서 데이터 과학자들이 수작업으로 진행하는 단계입니다.
    • 주로 Jupyter Notebook과 같은 Rapid Application Development(RAD) 도구를 사용합니다.
  • ML 파이프라인 자동화 ㅣ 모델 학습의 자동 실행을 포함하는 단계입니다.
    • 새 데이터를 사용할 수 있을 때마다 모델 재학습 프로세스 자동화, 데이터 및 모델 검증 단계 포함
  • CI/CD 파이프라인 자동화 ㅣ 생산 환경에서 ML 모델의 빠르고 신뢰할 수 있는 배포를 위한 단계입니다.
    • 데이터, ML 모델, ML 교육 파이프라인 구성 요소를 자동으로 빌드, 테스트 및 배포
  • MLOps 자동화 단계
    1. 개발 및 실험 ㅣ 파이프라인 소스 코드: 데이터 추출, 검증, 준비, 모델 훈련 및 테스트
    2. 파이프라인 지속적 통합 ㅣ 배포할 파이프라인 구성 요소: 패키지 및 실행 파일
    3. 파이프라인 지속적 배포 ㅣ 새로운 모델 구현이 포함된 배포된 파이프라인
    4. 자동 트리거링 ㅣ 모델이 모델 레지스트리에 저장된 훈련된 모델
    5. 모델 지속적 배포 ㅣ 예측 서비스를 위한 배포된 모델
    6. 모니터링 ㅣ 라이브 데이터의 모델 성능 데이터를 수집
  • MLOps 구성 요소
    1. Source Control ㅣ 코드, 데이터 및 ML 모델 아티팩트의 버전 관리를 담당합니다.
    2. Test & Build Services ㅣ CI 도구를 사용하여 모든 ML 아티팩트의 품질을 보증하고 파이프라인을 위한 패키지와 실행 파일 빌드를 담당합니다.
    3. Deployment Services ㅣ CD 도구를 사용하여 파이프라인을 대상 환경에 배포합니다.
    4. Model Registry ㅣ 이미 훈련된 ML 모델을 저장하는 레지스트리입니다.
    5. Feature Store ㅣ 입력 데이터를 학습 파이프라인과 모델 서비스 동안 사용할 수 있는 Feature로 전처리합니다.
    6. ML Metadata Store ㅣ 모델 훈련의 메타 데이터를 추적합니다 (모델 이름, 파라미터, 훈련 데이터, 테스트 데이터 및 메트릭 결과).
    7. ML Pipeline Orchestrator ㅣ ML 실험의 단계를 자동화 합니다.

fig5 MLOps Phasen 1

     

지속적 배포 Continuous Deployment

  • ML Asset 정의 ㅣ ML 모델, 매개 변수 및 하이퍼파라미터, 학습 스크립트, 학습 및 테스트 데이터의 집합을 뜻합니다.
  • ML 아티팩트의 식별 ㅣ 이러한 ML 아티팩트 구성 요소, 버전 관리 및 종속성을 파악하고 관리하는 것이 중요합니다.
  • 배포 대상 ㅣ ML 아티팩트는 (마이크로) 서비스 또는 인프라 구성 요소와 같은 다양한 곳에 배포될 수 있습니다.
  • 배포 서비스 기능
    • Orchestration(서비스 간 작업 조정), Logging(이벤트 및 오류 기록), Monitoring(성능 및 상태 추적), Notification
  • 배포 관행
    • 지속적 통합 (CI) ㅣ 코드와 구성 요소의 테스트 및 검증을 데이터와 모델의 테스트 및 검증 추가로 확장합니다.
    • 지속적 배포 (CD) ㅣ ML 학습 파이프라인의 배포 자동화를 통해 다른 ML 모델 예측 서비스를 자동으로 배포합니다.
    • 지속적 학습 (CT) ㅣ ML 시스템의 고유 속성으로, ML 모델을 자동으로 재학습하여 다시 배포합니다.
    • 지속적 모니터링 (CM) ㅣ 비즈니스 메트릭과 연결된 생산 데이터 및 모델 성과 메트릭을 모니터링 하는 것입니다.

     

버전 관리 Versioning

  • 버전 관리의 목표는 ML 학습 스크립트, ML 모델, 데이터 셋 추적을 위함입니다.
  • ML Asset을 버전 제어 시스템(VCS) 으로 관리하여 모든 ML 모델과 데이터를 버전으로 추적합니다.
  • 모델 변경의 일반적인 이유
    • 새 학습 데이터/방법을 기반으로 모델을 재학습
    • 자가 학습이 가능한 모델
    • 시간이 지남에 따른 성능 저하 발생 가능성
    • 새 애플리케이션에 모델 배포 필요
    • 공격을 받을 수 있어 모델 수정 필요, 이전 버전으로 신속한 롤백 가능
    • 기업 또는 정부 규정 준수를 위해 모델 및 데이터에 대한 감사
    • 데이터는 제한된 관할권에만 존재할 수 있음, 데이터 소유권 문제 가능성

     

실험 추적 Experimental Tracking

  • ML 개발은 매우 반복적이며 연구 중심적인 과정이기에, 실험 추적이 필요합니다.
  • 방법
    • 다양한 브랜치 사용 ㅣ 각 실험마다 별도의 (Git) 브랜치를 사용하여 여러 실험을 추적합니다.
    • 모델 결과 ㅣ 각각의 브랜치에서 학습된 모델이 생성되며, 선택된 메트릭에 따라 해당 모델들이 비교됩니다.
  • 도구
    • DVC Git의 확장으로 머신러닝 프로젝트를 위한 오픈 소스 버전 관리 시스템입니다.
      • 실험을 낮은 충돌로 브랜칭 할 수 있도록 지원합니다.
    • Weights and Biases (wandb) ㅣ 실험의 하이퍼파라미터와 메트릭을 자동으로 추적하는 라이브러리입니다.

     

테스트 Testing

  • 모든 테스트는 모델이 Production 환경에 도달하기 전에 수행되어야 하며, 모델의 성능도 운영 환경에서 지속적으로 모니터링해야 합니다.
  • 방법
    • 피쳐 및 데이터 테스트
      • 데이터 검증 ㅣ 자동으로 데이터와 특징의 스키마 및 도메인을 검사합니다.
      • 피쳐 중요도 테스트 ㅣ 새로운 특징이 예측력을 더하는지 확인하기 위해 여러 검사를 수행합니다. (상관계수 계산, 모델 학습 등)
      • 정책 준수 테스트 ㅣ 특징 및 데이터 파이프라인이 GDPR 등 정책을 준수하는지 확인합니다.
    • 신뢰할 수 있는 모델 개발을 위한 테스트
      • ML 알고리즘 훈련 검증 ㅣ 손실 지표와 비즈니스 영향 지표 간의 관계를 확인합니다.
      • 모델 노후 테스트 ㅣ 모델이 최신 데이터를 포함하고 있는지 여부를 확인합니다.
      • 모델 성과 검증 ㅣ 트레이닝 및 테스트 데이터 세트를 분리하여 질적 평가를 수행합니다.
      • 공정성/편향/포용성 테스트 ㅣ 다양한 데이터 카테고리를 포함하여 편향을 조사합니다.
    • ML 인프라 테스트
      • 재현성 ㅣ 동일한 데이터로 훈련했을 때 동일한 모델이 생성되는지를 검증합니다.
      • ML API 사용 테스트 ㅣ 스트레스 테스트 및 유닛 테스트로 API의 안정성을 검사합니다.
      • 통합 테스트 ㅣ 전체 ML 파이프라인을 지속적으로 테스트하여 각 단계가 올바르게 진행되는지 확인합니다.

     

모니터링 Monitoring

  • ML 모델이 배포된 후에는 모델이 기대하는 성능을 낼 수 있도록 지속적으로 모니터링해야 합니다.

  • 모니터링 활동 체크리스트 2

    • 종속성 변화 모니터링 ㅣ 전체 파이프라인에서 데이터 버전 변화, 소스 시스템 변화, 종속성 업그레이드 등을 알려줍니다.
    • 데이터 불변성 모니터링 ㅣ 학습 단계에서 지정된 스키마와 일치하지 않는 데이터 발생 시 알려줍니다.
    • 학습 및 서빙 특징의 일치 여부 확인 ㅣ 서로 다른 물리적 위치에서 생성된 특징들이 동일한지 확인합니다.
      • 서빙 트래픽 샘플을 기록하여 통계(최소, 최대, 평균, 결측치 비율 등)를 계산합니다.
    • 모델 수치 안정성 모니터링 ㅣ NaN이나 무한대 값 발생 시 알려줍니다.
    • 컴퓨팅 성능 모니터링 ㅣ 성능 저하가 급격히 발생하거나 서서히 진행되는 경우 알려줍니다.
      • GPU 메모리 사용량, 네트워크 트래픽, 디스크 사용량 등 시스템 사용 메트릭을 수집하여 클라우드 비용 추정에 유용합니다.
    • 모델 낡음 모니터링 ㅣ 모델의 나이를 측정하고, 오래된 모델은 성능 저하 경향이 있습니다.
    • 피처 생성 프로세스 모니터링 ㅣ 정기적으로 피처 생성을 다시 실행합니다.
    • 예측 품질 저하 모니터링 ㅣ 예측 품질의 급격한 저하 또는 서서히 진행되는 성능 저하에 대한 알림을 줍니다.
      • 예측의 통계적 편향을 측정하고, 라벨이 제공되는 경우 실시간으로 예측 품질 측정합니다.
    • 모델 평가 지표 모니터링 ㅣ 모델의 정밀도, 재현율, F1 점수를 추적하는 모델 재학습 트리거의 역할을 합니다.

     

재현성 Reproducibility

  • ML Workflow에서의 재현 가능성은 데이터 처리, 모델 학습, 모델 배포의 모든 단계가 동일한 입력을 가질 때 동일한 결과를 생성해야 함을 뜻합니다.
  • 단계
    1. 데이터 수집 ㅣ 데이터를 항상 백업하기, 데이터 셋의 스냅샷을 저장하기 (클라우드 저장소 활용), 데이터 소스에 타임스탬프를 추가하기, 데이터 버전 관리 사용
    2. 피쳐 엔지니어링 ㅣ 피쳐 생성 코드는 버전 관리하에 두기, 데이터 수집 단계의 재현 가능성 요구
    3. 모델 학습 / 모델 빌드 ㅣ 피쳐 순서를 항상 동일하게 유지하기, 정규화와 같은 피쳐 변환을 문서화하고 자동화하기, 하이퍼파라미터 선택을 문서화하고 자동화 하기
    4. 모델 배포 ㅣ 소프트웨어 버전과 종속성이 실제 환경에서 일치해야 함, Docker와 같은 컨테이너 사용하기, 사양 문서화 하기, 학습/배포에 동일한 프로그래밍 언어 사용 하기

     

ML 수명 주기 ML Lifecycle

  • 머신러닝 어플리케이션 개발을 위한 산업 간 표준 프로세스 (CRISP-ML(Q))

fig6 CRISP Machine Learning Process 1

  • 단계
    1. 비즈니스 및 데이터 이해
      • ML 어플리케이션의 범위, 성공 기준 및 데이터 품질 검증을 식별하는 것, 프로젝트 실행 가능성을 보장
    2. 데이터 엔지니어링(데이터 준비)
      • 데이터 선택, 정리, 피쳐 엔지니어링 및 데이터 표준화 작업
    3. 머신러닝 모델 엔지니어링
      • Production에 배포할 하나 이상의 머신러닝 모델을 지정하는 것
    4. 머신러닝 어플리케이션을 위한 품질 보증(평가)
      • 모델의 성능을 테스트 데이터에서 검증 함
    5. 배포
      • 기존 소프트웨어 시스템에 ML 모델을 통합함
    6. 모니터링 및 유지관리
      • 모델 성능 저하를 방지하기 위한 모델 성능 지속적 평가

     

ML 거버넌스 Governance

  • ML 모델 거버넌스는 머신러닝 모델의 배포를 돕는 일련의 프로세스와 프레임워크를 포함하며, 법적 요구사항, 윤리적 기준, 품질 확보 등을 충족합니다.

  • 과정

    • 모델 저장/버전 관리
    • 평가 및 설명가능성 ㅣ 모델 후보를 평가하기위해 쉐도우 배포 기법을 사용하여 성능을 비교합니다.
    • 테스트 및 배포
    • 보고서 작성 ㅣ 모델의 품질 보증을 위한 요약, 시각화 및 메트릭 강조를 포함하는 보고서를 작성합니다.
    • 모델 레지스트리 ㅣ 모든 모델 버전을 저장하여 재현성과 책임을 보장합니다.
    • 감사 ㅣ 모델 변경 사항은 모든 카테고리의 위험(사업, 재정, 법적)을 관리하기 위해 검토되고 승인되어야 합니다.
    • 모니터링 ㅣ 모델 성능을 지속적으로 모니터링하고 관련 메트릭을 독립적으로 수집하여 보고합니다.

ML 모델 거버넌스와 규제

  • EU는 AI에 대한 최초의 법적 프레임워크 초안을 발표했습니다.
      1. 허용 불가능한 위험 ㅣ 인간의 안전, 생계, 인권에 중대한 위험을 초래하는 AI 소프트웨어는 금지됩니다.
      2. 높은 위험 ㅣ 철저한 요구 사항이 적용됩니다(강건성, 보안, 정밀성, 문서와, 로그 기록, 위험 평가 및 완화).
      3. 제한된 위험 ㅣ 투명성 의무가 존재합니다.
      4. 최소 위험 ㅣ 규제가 없습니다.
  • 해당 규제는 EU 내에서 AI 서비스를 제공하는 모든 기업에 적용되며, GDPR과 유사한 범위를 보여줍니다.

     

MLOps와 모델 거버넌스 통합

  • 규제의 강도 측면
    • 비즈니스 도메인, ML 모델 위험 범주, 비즈니스 위험에 의해 결정됩니다.
    • EU의 새 규정은 높고 위험한 시스템에 적용될 수 있으며, 비 규제 분야에도 영향을 미칠 수 있습니다.
  • AI 시스템의 비즈니스 성공에 대한 영향
    • AI 시스템이 상업적 성공에 크게 의존하는 경우, 관리 요구 사항도 더 엄격합니다.
    • 기업의 AI 모델 수에 따라 달라질 수 있으며, 모델 수가 적다면 ML이 비즈니스에서 덜 중요하거나 기업이 ML 구현에 필요한 역량이 부족하다는 것을 나타냅니다.

     

재현성과 검증

  • 두 번 같은 결과를 얻을 수 있는 능력이며, 머신러닝에서도 실험 절차를 명확히 하여 재현성을 보장해야 합니다.
  • 재현에 필요한 메타데이터
    • 알고리즘 종류, 특징 및 변환, 데이터 스냅샷, 하이퍼파라미터, 성능 지표, 소스 코드 관리에서 검증 가능한 코드, 훈련 환경
  • 문서화
    • 프로젝트 문서화는 투명성과 추적 가능성을 높여 기술 부채를 줄여줍니다.
    • 비즈니스 맥락 설명, 알고리즘의 고급 설명, 모델 파라미터, 특성 선택 및 정의, 모델 재현을 위한 지침, 알고리즘 훈련 및 예측의 예시
  • Toolkits
    • 데이터 시트 ㅣ 데이터 수집 방식이나 윤리적 검토 절차의 이행 여부를 기록합니다.
    • 모델 카드 ㅣ 모델 개발 정보, 가정 및 다양한 그룹에서의 모델 행동 기대값 제공
  • 검증(Validation)
    • ML 모델 검증은 다단계 과정으로 다양한 지표를 사용합니다.
    • 성능 지표(정확도, F1 Score) 및 비즈니스 지표(KPI) 를 사용하여 비교하고, 개선 여부를 확인합니다.
    • A/B 테스트와 같은 통계적 유의성을 확인합니다.
    • 재현성 여부 검사와 모델 설명 가능성 또한 중요합니다.
  • 모델 배포 후, 거버넌스 프로세스가 배포 및 운영 단계와 통합되어야 합니다.

     

Conclusion

  • MLOps는 효과적인 머신러닝 운영에 필수적인 개념입니다.
  • MLOps에 입문하려면 기본적인 DevOps와 데이터 엔지니어링 지식을 공부하고 이를 실제 프로젝트에 적용해보는 것이 좋습니다.
  • MLOps 공부를 시작할 때는 아래 ML Engineer 로드맵을 참고하면 도움이 됩니다.

fig7 MLOps Engineer Roadmap 3

References

  1. Machine Learning Operations ↩︎ ↩︎2 ↩︎3 ↩︎4 ↩︎5 ↩︎6

  2. ML Test Score: A Rubric for ML Production Readiness and Technical Debt Reduction by E. Breck et al. ↩︎

  3. Machine Learning Engineer Roadmap in 2021 ↩︎

AI 엔지니어링 | AI Engineering, MLOps
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