Scientific Deep Learning

深層学習のための統合スキル。科学データに対する NN アーキテクチャ設計・トレーニング・評価・デプロイメントを支援する。

When to Use

•CNN / RNN / Transformer アーキテクチャ設計
•転移学習・Fine-tuning（科学ドメイン特化モデル）
•分散トレーニング（マルチ GPU / マルチノード）
•ハイパーパラメータ最適化 (Optuna / Ray Tune)
•科学データ向けモデル（タンパク質言語モデル・化学 Transformer 等）
•モデルエクスポート・推論パイプライン

Quick Start

深層学習パイプライン

code

Phase 1: Data Preparation
  - データセット構築 (Dataset / DataLoader)
  - データ拡張 (Augmentation)
  - 正規化・前処理
    ↓
Phase 2: Architecture Design
  - バックボーン選定 (ResNet/ViT/BERT/etc.)
  - ヘッド設計 (分類/回帰/生成)
  - 損失関数選択
    ↓
Phase 3: Training
  - Lightning Trainer 設定
  - オプティマイザ・スケジューラ
  - Mixed Precision (AMP)
  - 早期停止・チェックポイント
    ↓
Phase 4: Hyperparameter Optimization
  - Optuna / Ray Tune
  - 探索空間定義
  - Pruning (Median / Hyperband)
    ↓
Phase 5: Evaluation
  - テストセット評価
  - 学習曲線・混同行列
  - 解釈性分析 (→ XAI スキル)
    ↓
Phase 6: Deployment
  - ONNX / TorchScript エクスポート
  - バッチ推論パイプライン
  - モデルカード作成

Workflow

1. PyTorch Lightning: 構造化パイプライン

python

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import pytorch_lightning as pl
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
from torchmetrics import Accuracy, AUROC, MeanSquaredError

# === Lightning Module ===
class ScientificModel(pl.LightningModule):
    def __init__(self, model, lr=1e-3, weight_decay=1e-5, task="classification"):
        super().__init__()
        self.save_hyperparameters(ignore=["model"])
        self.model = model
        self.lr = lr
        self.weight_decay = weight_decay
        self.task = task

        if task == "classification":
            self.criterion = nn.CrossEntropyLoss()
            self.train_acc = Accuracy(task="binary")
            self.val_acc = Accuracy(task="binary")
            self.val_auroc = AUROC(task="binary")
        else:
            self.criterion = nn.MSELoss()
            self.val_rmse = MeanSquaredError(squared=False)

    def forward(self, x):
        return self.model(x)

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        logits = self(x)
        loss = self.criterion(logits, y)
        self.log("train/loss", loss, prog_bar=True)
        if self.task == "classification":
            preds = torch.argmax(logits, dim=1)
            self.train_acc(preds, y)
            self.log("train/acc", self.train_acc, prog_bar=True)
        return loss

    def validation_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        logits = self(x)
        loss = self.criterion(logits, y)
        self.log("val/loss", loss, prog_bar=True)
        if self.task == "classification":
            preds = torch.argmax(logits, dim=1)
            self.val_acc(preds, y)
            self.val_auroc(logits[:, 1], y)
            self.log("val/acc", self.val_acc, prog_bar=True)
            self.log("val/auroc", self.val_auroc, prog_bar=True)
        else:
            self.val_rmse(logits.squeeze(), y)
            self.log("val/rmse", self.val_rmse, prog_bar=True)

    def configure_optimizers(self):
        optimizer = torch.optim.AdamW(self.parameters(), lr=self.lr,
                                       weight_decay=self.weight_decay)
        scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(
            optimizer, T_max=self.trainer.max_epochs)
        return {"optimizer": optimizer, "lr_scheduler": scheduler}


# === トレーニング ===
from pytorch_lightning.callbacks import EarlyStopping, ModelCheckpoint, LearningRateMonitor

trainer = pl.Trainer(
    max_epochs=100,
    accelerator="auto",
    devices="auto",
    precision="16-mixed",  # AMP
    callbacks=[
        EarlyStopping(monitor="val/loss", patience=10, mode="min"),
        ModelCheckpoint(monitor="val/loss", save_top_k=3, mode="min"),
        LearningRateMonitor(logging_interval="epoch"),
    ],
    gradient_clip_val=1.0,
    deterministic=True,
)
# trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

2. CNN アーキテクチャ (画像分類)

python

import timm

# === timm: 事前学習済み CNN ===
def create_cnn_model(model_name="resnet50", num_classes=10, pretrained=True):
    """timm ライブラリから事前学習済みモデルをロード"""
    model = timm.create_model(
        model_name,
        pretrained=pretrained,
        num_classes=num_classes,
    )
    return model

# 利用可能モデル例:
# - "resnet50", "resnet101"
# - "efficientnet_b0" ~ "efficientnet_b7"
# - "vit_base_patch16_224" (Vision Transformer)
# - "swin_base_patch4_window7_224" (Swin Transformer)
# - "convnext_base"

# === カスタム CNN ===
class ConvBlock(nn.Module):
    def __init__(self, in_ch, out_ch, kernel_size=3, stride=1):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_ch, out_ch, kernel_size, stride, padding=kernel_size // 2)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(out_ch)
        self.act = nn.GELU()

    def forward(self, x):
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))


class ScientificCNN(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels=1, num_classes=10):
        super().__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            ConvBlock(in_channels, 32),
            ConvBlock(32, 64, stride=2),
            ConvBlock(64, 128, stride=2),
            ConvBlock(128, 256, stride=2),
            nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Flatten(),
            nn.Dropout(0.3),
            nn.Linear(256, num_classes),
        )

    def forward(self, x):
        return self.classifier(self.features(x))

3. Transformer / Fine-tuning

python

from transformers import AutoModel, AutoTokenizer, AutoModelForSequenceClassification
from transformers import Trainer, TrainingArguments

# === Hugging Face Transformer Fine-tuning ===
def finetune_transformer(model_name, train_dataset, val_dataset,
                          num_labels=2, num_epochs=5, lr=2e-5):
    """科学テキスト分類の Transformer Fine-tuning"""
    tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
    model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(
        model_name, num_labels=num_labels
    )

    training_args = TrainingArguments(
        output_dir="./results/transformer_ft",
        num_train_epochs=num_epochs,
        per_device_train_batch_size=16,
        per_device_eval_batch_size=32,
        learning_rate=lr,
        weight_decay=0.01,
        warmup_ratio=0.1,
        evaluation_strategy="epoch",
        save_strategy="epoch",
        load_best_model_at_end=True,
        metric_for_best_model="eval_loss",
        fp16=True,
        dataloader_num_workers=4,
    )

    trainer = Trainer(
        model=model,
        args=training_args,
        train_dataset=train_dataset,
        eval_dataset=val_dataset,
        tokenizer=tokenizer,
    )

    trainer.train()
    return trainer

# 科学ドメイン特化モデル:
# - "allenai/scibert_scivocab_uncased" (SciBERT)
# - "microsoft/BiomedNLP-BiomedBERT-base-uncased-abstract" (BiomedBERT)
# - "ChemBERTa" (化学 SMILES)
# - "facebook/esm2_t33_650M_UR50D" (タンパク質言語モデル)

4. Optuna ハイパーパラメータ最適化

python

import optuna
from optuna.integration import PyTorchLightningPruningCallback

def optuna_optimization(train_loader, val_loader, n_trials=50):
    """Optuna によるハイパーパラメータ最適化"""

    def objective(trial):
        # 探索空間
        lr = trial.suggest_float("lr", 1e-5, 1e-2, log=True)
        weight_decay = trial.suggest_float("weight_decay", 1e-6, 1e-3, log=True)
        hidden_dim = trial.suggest_categorical("hidden_dim", [128, 256, 512])
        n_layers = trial.suggest_int("n_layers", 2, 6)
        dropout = trial.suggest_float("dropout", 0.1, 0.5)

        # モデル構築
        model = build_model(hidden_dim, n_layers, dropout)
        lit_model = ScientificModel(model, lr=lr, weight_decay=weight_decay)

        # トレーナー
        trainer = pl.Trainer(
            max_epochs=30,
            callbacks=[
                PyTorchLightningPruningCallback(trial, monitor="val/loss"),
                EarlyStopping(monitor="val/loss", patience=5),
            ],
            enable_progress_bar=False,
        )

        trainer.fit(lit_model, train_loader, val_loader)
        return trainer.callback_metrics["val/loss"].item()

    study = optuna.create_study(
        direction="minimize",
        pruner=optuna.pruners.HyperbandPruner(),
    )
    study.optimize(objective, n_trials=n_trials)

    print(f"Best trial: {study.best_trial.value:.4f}")
    print(f"Best params: {study.best_trial.params}")

    # 可視化
    optuna.visualization.plot_optimization_history(study).write_image(
        "figures/optuna_history.png")
    optuna.visualization.plot_param_importances(study).write_image(
        "figures/optuna_importance.png")

    return study

5. モデルエクスポート

python

def export_model(model, sample_input, export_dir="models"):
    """モデルエクスポート (ONNX + TorchScript)"""
    import os
    os.makedirs(export_dir, exist_ok=True)

    model.eval()

    # TorchScript
    scripted = torch.jit.trace(model, sample_input)
    scripted.save(f"{export_dir}/model.pt")

    # ONNX
    torch.onnx.export(
        model, sample_input,
        f"{export_dir}/model.onnx",
        input_names=["input"],
        output_names=["output"],
        dynamic_axes={"input": {0: "batch_size"}, "output": {0: "batch_size"}},
        opset_version=17,
    )

    print(f"Exported: {export_dir}/model.pt, {export_dir}/model.onnx")

Best Practices

•PyTorch Lightning で構造化: 再現性と可読性のため Lightning Module を使用
•Mixed Precision: precision="16-mixed" で GPU メモリ効率とスピードを改善
•Gradient Clipping: gradient_clip_val=1.0 で勾配爆発を防止
•Cosine Annealing: 学習率スケジューラとして安定的
•Optuna + Pruning: 不良トライアルを早期に枝刈りして効率化
•Scaffold Split (分子データ): ランダム分割ではなく scaffold split を使用
•Model Card: 学習データ・性能・制約を documentation
•Seed 固定: pl.seed_everything(42) で再現性確保

Completeness Checklist

• Dataset / DataLoader 構築
• アーキテクチャ設計・選定
• トレーニング収束確認
• 学習曲線プロット
• テストセット評価メトリクス
• ハイパーパラメータ最適化
• モデルエクスポート (ONNX)
• モデルカード作成

References

Output Files

ファイル	形式	生成タイミング
`results/dl_training_log.json`	トレーニングログ（JSON）	トレーニング完了時
`models/model.onnx`	ONNX モデル	エクスポート時
`figures/dl_learning_curve.png`	学習曲線	トレーニング完了時
`figures/optuna_history.png`	Optuna 最適化履歴	HPO 完了時

参照スキル

スキル	連携
`scientific-ml-classification`	← 従来 ML との比較ベースライン
`scientific-ml-regression`	← 回帰タスクの DL 拡張
`scientific-explainable-ai`	→ DeepSHAP/Captum による説明
`scientific-graph-neural-networks`	→ グラフデータの DL
`scientific-image-analysis`	← 画像データの CNN 応用
`scientific-medical-imaging`	→ 医用画像の DL モデル
`scientific-quantum-computing`	← 量子-古典ハイブリッド ML
`scientific-neuroscience-electrophysiology`	← 神経デコーディング・スパイクソート DL