Apprentissage profond

Les fondations (des années 1940 aux années 1980)

La modélisation mathématique du fonctionnement d'un neurone est proposée en 1943 par Warren McCulloch et Walter Pitts^[8]. Cette modélisation n'explique pas comment entraîner un neurone à accomplir une tâche particulière mais pose les bases du perceptron de Frank Rosenblatt, inventé en 1957. Le perceptron reprend le fonctionnement du neurone McCulloch-Pitts en le dotant d'une règle d'apprentissage qui lui permet de déterminer automatiquement les poids synaptiques pour une tâche de classification supervisée ; ce dernier permet de trouver une solution lorsque le problème est linérairement séparable (en)^[8].

Beaucoup de problèmes courants ne sont pas linéairement séparables, ainsi le perceptron est incapable de déterminer si deux entrées binaires sont différentes ou non (problème du XOR). Cette limite est explicitée en 1969 par Seymour Papert et Marvin Minsky. Cette démonstration décourage les financements et marque le début du premier hiver de l'intelligence artificielle qui durera une décennie^[8].

Malgré le désintérêt pour la discipline, le chercheur japonais Kunihiko Fukushima invente en 1975 le cognitron et cinq ans plus tard le néocognitron. Ce dernier, inspiré des neurosciences et du fonctionnement du cortex visuel, repose sur une première couche entraînée de manière non supervisée et une seconde subissant un entraînement supervisé ; il inspirera les premiers réseaux de neurones convolutifs^[9].

En 1986, David Rumelhart, Geoffrey Hinton et Ronald Williams redécouvrent et popularisent l'algorithme de la rétropropagation du gradient et l'appliquent à l'apprentissage des réseaux de neurones. Cette avancée permet d'entraîner des modèles ayant des structures diverses et un nombre de couches cachées arbitraire (bien que le problème de la disparition et de l'explosion du gradient tempère cette ambition) ; cet algorithme demeure encore aujourd'hui au cœur de l'entraînement des réseaux profonds^[10].

Les réseaux de neurones (années 1990-2000)

Les premiers réseaux de neurones à rencontrer un usage commercial permettent la reconnaissance optique de caractères, comme la lecture des chèques. Ils traitent efficacement les images grâce à l'architecture développée par Yann LeCun au cours des années 1990 : les réseaux de neurones convolutifs. LeNet-5 en est un exemple ; il traite 10 à 20 % des chèques aux États-Unis à la fin de la décennie et contient déjà plusieurs ingrédients qui feront le succès de cette architecture comme la convolution ou le sous-échantillonnage (pooling)^[11].

En parallèle du développement des réseaux convolutifs, en 1997, Sepp Hochreiter (en) et Jürgen Schmidhuber (en) développent l'architecture LSTM (en) ( pour Long Short-Term Memory, en anglais) qui permet de traiter plus efficacement les séries temporelles^[12].

Malgré leurs premiers succès, les réseaux de neurones sont délaissés au profit des machines à vecteurs de support (SVM). Ces dernières, contrairement aux réseaux de neurones, apportent de meilleures garanties mathématiques et demandent moins de données tout en restant plus faciles à entraîner^[11].

Le terme « apprentissage profond » se popularise après les travaux de Geoffrey Hinton sur les réseaux de croyance profonds, cette appellation permettant aux chercheurs de s'affranchir de la mauvaise réputation des réseaux de neurones, notamment auprès de certaines revues^[13]. En 2007, un atelier sur l'apprentissage profond au NIPS marque l'adoption de ce terme dans la littérature spécialisée^[11].

L'essor de l'apprentissage profond (années 2010)

L'événement qui marque le début de l'adoption de l'apprentissage profond est la publication du modèle AlexNet en 2012. Conçu par Alex Krizhevsky, Ilya Sutskever et leur directeur de thèse Geoffrey Hinton^[14], le modèle obtient des performances de pointe lors de la campagne d'évaluation internationale ImageNet de reconnaissance d'images. Le réseau surpasse largement le deuxième^[15] et popularise ainsi l'apprentissage profond en vision par ordinateur et l'utilisation des cartes graphiques pour l'apprentissage.

Cette réussite et le développement des réseaux profonds qui la suivent sont le résultat de la convergence de trois facteurs^{[DLB2016 3]} :

• les avancées théoriques, notamment dues à Geoffrey Hinton, qui a proposé des approches de pré-entraînement permettant d'apprendre des architectures profondes^{[DLB2016 4]} ;

• le phénomène de Big data, qui a permis la mise à disposition de volumes colossaux de données numériques, nécessaires pour apprendre les architectures profondes^{[DLB2016 5]} ;

• l'avènement du GPGPU, consistant à effectuer des calculs génériques et utiles pour l'apprentissage d'architectures profondes au moyen de processeurs graphiques qui accélèrent les calculs^{[DLB2016 6]}. Cette évolution a été permise grâce à l'écosystème logiciel CUDA proposé par Nvidia.

Les avancées permises par les réseaux profonds ne se limitent pas au domaine du traitement d'images : en 2015, le programme AlphaGo, un modèle neuronal profond qui a été entraîné à jouer au jeu de go grâce à l'apprentissage par renforcement, bat le champion européen Fan Hui^[16] par cinq parties à zéro. En mars 2016, le même programme bat le champion du monde Lee Sedol par 4 parties à 1^[17]. Ces matches ont eu un fort retentissement dans le grand public, en particulier en Asie^[18].

Les modèles les plus performants utilisent une architecture de réseaux de neurones convolutifs, mais en 2017 l'architecture sur laquelle repose la plupart des grands modèles de langage actuels est publiée : l'architecture transformeur. À la conférence NIPS, des chercheurs travaillant pour la plupart dans des équipes de recherche de Google proposent l'architecture transformeur^[19], qui servira peu de temps après de base aux grands modèles de langage. L'année suivante, l'entreprise propose le modèle BERT, fondé sur la partie « encodeur » du transformeur. Ce modèle de langage permettra une amélioration significative des performances en traitement automatique des langues^[20].

La même année, OpenAI propose le modèle GPT, qui est pour sa part fondé sur la partie « décodeur » des transformeurs ; en 2019, l'entreprise, après avoir initialement refusé de le faire, publie GPT-2, un modèle de fondation capable de générer du texte tout en communiquant sur ses craintes quant aux utilisations potentielles du modèle^[21].

En 2020, l'entreprise Google DeepMind dévoile AlphaFold 2 à l'occasion de la compétition CASP (en), qui met au défi des équipes de chercheurs à travers le monde de résoudre le problème du repliement des protéines. Ce défi, vieux de 50 ans et considéré comme critique pour la recherche médicale, consiste à concevoir un algorithme capable de prédire la structure tridimensionnelle d'une protéine à partir de sa chaîne d'acides aminés. Le modèle d'apprentissage profond proposé par DeepMind s'est montré si performant que le problème du repliement des protéines a été considéré comme résolu^[22],[23]. En 2022, AlphaFold a permis de prédire la structure de plus de 200 millions de protéines, soit plus de 1000 fois le nombre de protéines dont la forme a été identifiée expérimentalement jusque-là^[24].

En réaction à l'adoption massive de l'apprentissage profond, en 2018, Yann Le Cun, Yoshua Bengio et Geoffrey Hinton sont récipiendaires du prix Turing « Pour les percées conceptuelles et techniques qui ont fait des réseaux neuronaux profonds une composante essentielle de l'informatique^[25] ». En 2024, Geoffrey Hinton et John Joseph Hopfield sont co-lauréats du prix Nobel de physique pour « leurs découvertes fondamentales et inventions qui ont rendu possible l'apprentissage automatique et les réseaux de neurones artificiels »^[26].

Le nombre grandissant d'applications de l'apprentissage profond lui permet de toucher un public de plus en plus large et la nécessité de développer des modèles toujours plus performants ouvre la voie aux développements de modèles de plus en plus massifs^[27].

Les grands modèles et l'IA générative (années 2020)

Avant l'année 2020, les modèles les plus massifs dépassent rarement quelques centaines de millions ou le milliard de paramètres (la version la plus lourde de GPT-2 comporte 1,5 milliard de paramètres)^[28]. L'augmentation de la taille des modèles va permettre l'essor des modèles génératifs profonds, passant de simples curiosités à des technologies utilisées au quotidien par une partie de la population.

L'entreprise OpenAI dévoile en 2020 une avancée dans le traitement du langage naturel avec le modèle GPT-3 reposant sur l'architecture transformeur et constitué de 175 milliards de paramètres. Le modèle n'est pas accessible au grand public mais ceux ayant pu interagir avec lui le présentent comme un système capable d'imiter l'être humain de manière convaincante, relançant ainsi les débats autour du test de Turing^[29]. OpenAI étudie notamment les capacités du modèle à apprendre des tâches nouvelles à partir d'un nombre restreint d'exemples (parfois un seul). Cette démonstration illustre la pertinence des lois d'échelle pour les modèles de langage selon lesquelles, en augmentant le nombre de paramètres ainsi que la quantité de données d'entraînement, on obtient des modèles plus performants et dotés de capacités nouvelles émergentes^[30].

Parallèlement, OpenAI dévoile en 2021 DALL-E, un outil reposant sur l'architecture transformeur et un auto-encodeur variationnel discret, capable de générer une image correspondant à la description textuelle fournie par l'utilisateur^[31]. Le modèle est alors disponible dans une démo en ligne, mais seules les descriptions fournies par l'entreprise sont autorisées^[32]. Cette preuve de concept ouvre la voie aux outils de génération d'images grand public qui arriveront l'année suivante.

L'année 2022 marque un changement significatif pour les modèles de génération d'image fondés sur l'apprentissage profond avec l'avènement des modèles de diffusion qui supplantent les GAN pour la génération d'image conditionnée^[33]. L'arrivée successive de Midjourney (alors utilisable par le biais du logiciel Discord), DALL-E 2 puis finalement Stable Diffusion, trois outils reposant sur les modèles de diffusion, marque le tournant où ces technologies deviennent utilisables par le grand public^[34]. Rapidement, des polémiques quant à l'usage ou la création de ces modèles éclatent, notamment lorsque Jason Allen remporte le prix de la meilleure peinture numérique à la Colorado State Fair, grâce à une œuvre créée avec Midjourney, ce qui suscite un débat sur la légitimité de ces outils dans la création artistique^[35] ; d'autre part certains artistes s'inquiètent de violations de la propriété intellectuelle lors de l'entraînement de ces modèles^[36].

Finalement, le passage à l'année 2023 est marqué par l'arrivée fin novembre 2022 de ChatGPT qui annonce la démocratisation des agents conversationnels (ou chatbots). OpenAI donne accès au grand public à son outil fondé sur le modèle GPT-3.5 ajusté pour se comporter comme un agent conversationnel grâce à l'apprentissage par renforcement à partir de retours humains (RLHF)^[37],[38]. En février, Meta dévoile l'existence de son propre modèle de langage, LLaMA, qui n'est pas accessible publiquement. Une semaine après l'annonce, le modèle fait l'objet d'une fuite et se retrouve téléchargeable par le plus grand nombre par le biais d'un torrent partagé sur le forum 4chan ; cet événement motive le développement d'un écosystème de modèles de langage à poids ouverts^[39].

À partir de 2023, les modèles de langage évoluent vers la multimodalité, qui autorise la manipulation de données non textuelles comme des images. Le modèle Gemini développé par Google est considéré comme un pionnier dans cette approche^[40],[41], grâce à la multimodalité native : l'image est traitée de la même manière que le texte grâce aux Vision-Transformers^[42],[43]. Parallèlement à ces avancées, en septembre 2024, les modèles évoluent vers l'adoption de l'apprentissage par renforcement avec des récompenses vérifiables (RLVR). Contrairement aux modèles qui génèrent une réponse immédiate, cette approche permet au modèle d'écrire des chaînes de raisonnement avant de générer sa réponse finale. Cette évolution est présentée comme la naissance des modèles de raisonnement. Les premiers modèles disponibles pour le grand public entraînés avec cette méthode sont OpenAI o1 suivi de DeepSeek R1^[44],[45]. Ces modèles atteignent des performances inédites au benchmark ARC-AGI qui mesure les capacités d'un modèle à mobiliser des concepts abstraits^[46],[47].

Perceptron multicouche

Après le perceptron simple, le perceptron multicouche (ou MLP pour Multilayer Perceptron) fut l'une des premières architectures de réseau de neurones utilisées ; cette dernière est constituée de différentes couches densément connectées. Chaque neurone d'une couche réalise une combinaison linéaire des sorties de tous les neurones de la couche précédente puis applique une fonction d'activation non linéaire au résultat. Cette architecture ne fait pas de supposition particulière sur la nature des données, elle a un faible biais inductif et est flexible^[57].

L'utilisation des perceptrons multicouches a initialement été motivée par le théorème d'approximation universelle qui affirme qu'un perceptron possédant une seule couche cachée suffisamment large peut approximer n'importe quelle fonction continue^[58].

Pour des problèmes complexes, il faut généralement un réseau large (pour ne pas sacrifier d'informations) et profond ; cette combinaison de facteurs accroît considérablement le nombre de paramètres du réseau, c'est pour cela que les perceptrons multicouches sont peu utilisés seuls pour des modèles très profonds ou traitant des données de haute dimension^[59]. Cependant, ils sont parfois utilisés comme briques pour d'autres architectures comme les transformeurs et les réseaux convolutifs et certaines architectures cherchent à les moderniser pour des applications dans divers domaines comme la reconnaissance d'image (Gated MLP, MLP Mixer, etc)^[60],[61].

Réseaux neuronaux convolutifs

L'intérêt suscité par l'apprentissage profond depuis plus d'une décennie s'explique par sa capacité à produire des modèles de pointe. L'événement déclencheur de cette dynamique est le développement du réseau neuronal convolutif AlexNet en 2012 lors du concours ImageNet grâce à l'utilisation de GPU^[62].

Les réseaux convolutifs sont particulièrement adaptés au traitement d'images. Ils reposent sur l'utilisation de l'opération de convolution, les paramètres appris durant l'entraînement correspondant aux coefficients du noyau de convolution. Cette opération peut être vue comme un neurone traitant une petite portion de l'image (par exemple, un champ récepteur de 3 x 3 pixels) : ce dernier est décalé d'un pas dans toutes les directions. Les différentes sorties forment une nouvelle image appelée carte de caractéristiques. Ces calculs sont réalisés en parallèle pour bénéficier de la puissance des accélérateurs matériels (cartes graphiques ou autres composants dédiés). Plusieurs neurones peuvent être utilisés pour produire plusieurs cartes de caractéristiques. Le nombre total de paramètres du réseau ne dépend plus de la taille de l'image mais de la taille des noyaux, du nombre de cartes de caractéristiques et de la profondeur de l'image (le nombre de canaux ; par exemple, une image en couleur contient trois canaux : RVB)^[63],[64].

Les réseaux convolutifs empilent les couches de convolution, les fonctions d'activation et les couches de pooling. Le pooling sert à réduire la résolution spatiale de l'image, il permet au réseau de traiter l'image à différentes échelles en commençant au niveau du pixel jusqu'aux structures macroscopiques. Différentes techniques de pooling sont utilisées, comme le MaxPooling (on conserve les pixels les plus lumineux) ou l'AveragePooling (on conserve la luminosité moyenne) ; un pas supérieur à un dans une convolution peut être utilisé en substitution au pooling. Lorsque l'objectif est de générer une image, les couches de convolution transposées ou de suréchantillonnage peuvent être utilisées pour augmenter la résolution, elles peuvent être vues comme les opérations inverses des couches de pooling^{[63],[65],[66]}.

Certains modèles de classification comme AlexNet utilisent les couches de convolution et de pooling comme simple prétraitement de l'image avant d'utiliser un perceptron multicouche classique, d'autres reposent uniquement sur les couches de convolution : les réseaux entièrement convolutionnels^[63].

L'efficacité des réseaux convolutifs s'explique par un biais inductif fort. Contrairement aux perceptrons multicouches, les réseaux convolutifs font des hypothèses fortes sur les données : l'information est locale et invariante par translation (la nature d'un objet ne change pas en fonction de sa position). L'architecture contraint le réseau à exploiter ces propriétés, il n'a pas besoin de les redécouvrir. Ainsi, le nombre de paramètres entraînables est réduit et l'apprentissage est plus rapide et efficace^[63],[67].

La principale critique à l'encontre des réseaux convolutifs est leur consommation de mémoire durant l'entraînement : pour calculer les gradients durant l'apprentissage avec l'algorithme de rétropropagation du gradient, la conservation de toutes les cartes de caractéristiques est obligatoire. Pour des images haute résolution, la quantité de mémoire nécessaire peut être importante lorsque le nombre de cartes de caractéristiques augmente^[63],[68].

Réseaux de neurones récurrents

L'entraînement d'un perceptron multicouche nécessite des entrées de tailles constantes ; les réseaux de neurones récurrents, à l'instar des transformeurs, peuvent traiter des entrées de tailles variables. Les réseaux de neurones récurrents sont particulièrement adaptés aux traitements de séries temporelles ou au traitement du langage naturel, bien que les transformeurs soient aujourd'hui prédominants dans ce domaine^[69],[70].

Le réseau de neurones est utilisé itérativement sur les différents éléments composant la séquence d'entrée, ou pour générer les différents éléments de la séquence de sortie. Dans une couche de neurones récurrents, en plus de l'entrée habituelle, les neurones reçoivent un vecteur d'état caché provenant de l'itération précédente. Ce vecteur agit comme une mémoire résumant l'information utile ; lorsqu'il y a plusieurs couches de neurones récurrents, chaque couche a sa propre capacité de mémorisation. Le nombre de paramètres du modèle est indépendant de la longueur des séquences, puisque les mêmes poids sont utilisés pour traiter les différents éléments de la séquence^[69],[71].

Les réseaux de neurones récurrents peuvent oublier certaines informations contenues dans les séquences d'entrée : les capacités de mémorisation du modèle sont limitées par la taille des vecteurs d'état. Pour accroître les capacités de mémorisation, les LSTM (long short-term memory) utilisent deux vecteurs de mémoire à court et long terme (état caché et état de la cellule). Ces derniers permettent d'accroître les capacités de mémorisation du modèle et de capturer des dépendances sur des centaines, voire des milliers de pas dans certaines tâches. Les GRU (gated recurrent units), une version simplifiée des LSTM, permettent d'obtenir des performances similaires dans la plupart des tâches avec un unique vecteur de mémoire tout en étant plus faciles à entraîner^{[69],[70],[72]}.

Pour entraîner un réseau de neurones récurrents, une couche à différentes itérations est traitée de manière analogue à deux couches distinctes partageant leurs poids : le réseau est déplié ; un même paramètre entrainable traite l'information autant de fois qu'il n'y a d'itérations^[71]. C'est pourquoi les réseaux de neurones récurrents sont particulièrement sensibles aux problèmes de disparition et d'explosion du gradient, de plus leur nature séquentielle les rend plus difficiles à paralléliser. L'entraînement est plus lent et moins efficace que d'autres architectures comme les transformeurs^[69],[73].

Architecture transformeur

Les réseaux de neurones récurrents sont limités par leur capacité de mémorisation et par leur difficulté à mettre en relation des informations éloignées de la séquence. Les transformeurs permettent de traiter des séquences de longueurs variables en outrepassant ces limitations ; c'est sur cette architecture que reposent la plupart des grands modèles de langages actuels^[74],[75].

Les transformeurs fonctionnent grâce aux couches d'attention ; ces dernières ont besoin que chaque élément de la séquence (token) soit transformé en un vecteur de taille fixe. Trois transformations linéaires sont appliquées indépendamment à chaque token (les mêmes matrices sont utilisées pour tous les éléments) ; les résultats correspondent à la clé notée «K», la requête notée «Q» et la valeur notée «V». Les clés et les requêtes permettent, grâce au produit scalaire, de calculer une matrice qui contient pour chaque couple de tokens la quantité d'information qui doit être transmise de l'un à l'autre. Cette information associée aux valeurs permet d'actualiser chaque token de la séquence^[74],[75].

Ce processus correspond au fonctionnement d'une tête d'attention : l'attention multitête exécute plusieurs têtes en parallèle et concatène les résultats. La couche d'attention permet d'actualiser l'information contenue dans un élément en le contextualisant grâce à l'information contenue dans les autres éléments de la séquence. La faiblesse du mécanisme d'attention est qu'il est aveugle à la position des éléments ; la couche d'attention décrite précédemment est incapable de différencier les phrases « Le chat mange la souris » et « La souris mange le chat ». Pour combler cette lacune, un encodage positionnel intègre dans chaque vecteur l'information de la position de l'élément correspondant^[74],[76].

Dans un transformeur, les couches d'attention sont suivies de couches de normalisation et d'une couche entièrement connectée (appliquée indépendamment à chaque token), ce bloc est répété plusieurs fois pour accroître la profondeur. Originellement, l'architecture transformeur est une architecture encodeur-décodeur. L'encodeur analyse une séquence d'entrée dans son ensemble et le décodeur utilise les informations de l'encodeur pour générer itérativement une séquence de sortie. Plusieurs modèles n'utilisent que l'un ou l'autre de ces composants, comme les modèles de langage qui n'utilisent que le décodeur^{[74],[75],[77]}.

La principale faiblesse du transformeur est sa complexité quadratique, conséquence du calcul du score d'attention entre tous les couples d'éléments. En contrepartie, cette architecture montre de très bonnes performances dans divers domaines et, contrairement aux réseaux de neurones récurrents, ses calculs sont parallélisables, bénéficiant ainsi de la puissance apportée par les cartes graphiques^[74],[75].

Autoencodeurs

Contrairement aux architectures comme les réseaux de neurones convolutifs, les réseaux de neurones récurrents ou les transformeurs, qui sont des architectures générales de calcul, l'autoencodeur est plutôt défini par un cadre d'apprentissage visant un objectif précis (il peut par ailleurs utiliser les architectures énumérées précédemment).

L'objectif de l'autoencodeur est d'apprendre la fonction identité afin d'extraire une représentation utile des données ; pour que cet apprentissage ne soit pas trivial, des contraintes sont appliquées au réseau. Elles peuvent prendre plusieurs formes : une couche avec peu de neurones (goulot d'étranglement ou bottleneck) pour forcer le modèle à compresser les données, un terme dans la fonction de perte pour motiver une représentation parcimonieuse (grande proportion d'activations à 0) ou l'utilisation d'un échantillonnage stochastique dans l'espace latent^[78],[79].

Les autoencodeurs s'organisent en deux composantes : un encodeur et un décodeur. L'objectif de l'encodeur est de convertir l'entrée en une représentation intermédiaire (un point de l'espace latent) qui servira d'entrée pour le décodeur afin qu'il reconstruise la donnée d'origine. Une variante très utilisée est l'autoencodeur variationnel (VAE) : l'encodeur, plutôt que d'associer l'entrée à un vecteur fixe de l'espace latent, associe ce dernier à une distribution de probabilité proche d'une gaussienne multivariée. Les autoencodeurs variationnels fournissent de meilleures garanties sur l'espace latent, comme la continuité ou la régularité, ce qui permet d'utiliser le décodeur comme modèle génératif en échantillonnant un vecteur aléatoire de l'espace latent^[78],[80].

Un avantage de l'autoencodeur est qu'il ne nécessite pas de données étiquetées puisqu'un échantillon est sa propre étiquette. Les données non étiquetées sont souvent plus abondantes que les données étiquetées ; ainsi un autoencodeur peut être utilisé dans une phase de préentraînement, l'un de ses modules (généralement l'encodeur) est ensuite réutilisé comme extracteur de caractéristiques pour une autre tâche, en servant d'initialisation pour un réseau spécialisé. Les autoencodeurs peuvent également être utilisés directement pour compresser ou extraire des caractéristiques pertinentes des données (réduction de dimensionnalité)^[81].

Réseaux antagonistes génératifs (GAN)

Comme les autoencodeurs, les réseaux antagonistes génératifs (ou GAN pour generative adversarial network) sont définis par un cadre d'apprentissage et peuvent reposer sur des architectures diverses.

Un GAN est utilisé pour générer de nouveaux échantillons similaires à ceux de l'ensemble d'entraînement. Pour cela, deux modèles sont entraînés simultanément : le générateur qui produit un échantillon à partir d'un vecteur aléatoire et le discriminateur qui estime si l'échantillon en entrée est authentique ou non. Seul le discriminateur utilise l'ensemble d'entraînement pour calculer sa perte, il apprend à différencier les observations réelles de celles produites par le générateur. La fonction de perte du générateur correspond à la sortie du discriminateur : les poids du générateur sont mis à jour pour que le discriminateur classe les sorties du générateur comme authentiques^[82],[83].

Ce mécanisme est parfois illustré avec l'image du faussaire qui produit des contrefaçons et de l'expert qui doit les repérer. Même si au départ les deux ne réalisent pas correctement leur travail, l'expert apprend rapidement à distinguer les contrefaçons du bruit aléatoire et le faussaire s'améliore alors en apprenant à tromper l'expert ; les deux progressent conjointement et développent leurs compétences respectives^[83].

L'entraînement d'un GAN est particulièrement instable : si pendant l’entraînement le générateur surpasse complètement le discriminateur ou inversement, alors les gradients de la fonction de perte deviennent presque nuls ou non informatifs et l'apprentissage stagne. De même, un phénomène appelé effondrement de mode (en) peut ponctuer l'entraînement : le générateur n'est pas diversifié et ne génère que quelques types précis d'observations. Les modèles ne convergent alors pas vers l'équilibre de Nash et les données générées ne sont pas représentatives de la distribution réelle^[82],[83].

Pour entraîner un GAN malgré ces contraintes, il est nécessaire de régler finement les hyperparamètres ; certaines variantes ont été développées pour atténuer certains de ces problèmes. Le GAN de Wasserstein adapte la manière dont le discriminateur exprime la crédibilité d'une observation et impose au discriminateur (ou critique) d'être une fonction lipschitzienne afin de stabiliser l'apprentissage et de rendre les pertes plus faciles à interpréter durant l'entraînement^[82],[83].

Les GAN conditionnels permettent de conditionner la sortie en fonction de différents paramètres (choix d'une classe, ou de paramètres continus)^[82],[83].

Modèles de diffusion

Les modèles de diffusion permettent de générer de nouvelles observations semblables aux données d'entraînement. Contrairement à un autoencodeur variationnel ou à un réseau antagoniste génératif, un modèle de diffusion génère une nouvelle observation grâce à un processus itératif, la génération demande donc de multiples appels au modèle^[84],[85].

Le modèle est entraîné à débruiter une observation bruitée donnée en entrée. Pendant l'entraînement, un processus de diffusion directe est appliqué aux observations, en pratique cela se traduit par la moyenne pondérée entre les données et un bruit gaussien dans différentes proportions. Le modèle apprend à réaliser la diffusion inverse, c'est-à-dire à retirer le bruit des observations. La sortie du modèle n'est pas l'observation débruitée mais un vecteur de même dimension correspondant soit au bruit, soit au vecteur à additionner à l'entrée pour annuler le bruit. Durant l'inférence, cette sortie sert à débruiter partiellement l'observation, le réseau est appelé itérativement pour retirer complètement le bruit. En plus de l'entrée à traiter, le modèle reçoit un pas de temps indiquant la proportion de bruit dans celle-ci ainsi qu'éventuellement d'autres informations qui servent à conditionner le modèle pour influencer le traitement^[85].

Pour générer de nouvelles observations, le modèle est utilisé pour retirer le bruit d'un vecteur entièrement aléatoire. Au fur et à mesure des itérations, ce dernier évolue pour ressembler à une observation réelle. La proportion de bruit retirée à chaque itération n'est pas constante et varie au fil du processus de diffusion inverse en fonction d'un échéancier prédéfini^{[85],[86],[87]}.

Vision par ordinateur et imagerie

L'apprentissage profond permet d'analyser, de modifier ou de créer des images et des vidéos^[101]. Ces modèles reposent souvent sur des réseaux de neurones convolutifs ou des transformeurs adaptés spécialement à cette tâche (vision transformer)^[102].

Les réseaux profonds sont utilisés pour la reconnaissance de formes visuelles en vision par ordinateur^[103]. Ils peuvent reconnaître des panneaux de signalisation ou des objets déformables (notamment dans le cadre du développement de voitures autonomes)^[104],[105] et être utilisés pour estimer certaines propriétés physiques de l'environnement (propriété du sol sur lequel avance un robot^[106], télédétection en imagerie satellitaire^[107], etc). Certains modèles traitent des vidéos d'êtres humains, par exemple pour analyser les mouvements de la main pour traduire la langue des signes^[108] ou estimer les émotions visibles sur le visage^[109].

Ces réseaux permettent par ailleurs d'améliorer la qualité d'une image ou de la modifier. En infographie, ils permettent de suréchantillonner une image de faible résolution vers une résolution supérieure (notamment par la méthode du DLSS dans les jeux vidéos^[110]), on parle d'upscaling. Des applications dans le domaine artistique permettent de créer une œuvre à partir d'une photo ou d'une description^[111],[112] ou de restaurer numériquement des peintures anciennes^[113].

Robotique et systèmes autonomes

Différents modèles, comme ceux de vision par ordinateur, peuvent être utilisés comme composants dans un système autonome. Ces systèmes sont plus ou moins complexes, certains modèles permettent de positionner automatiquement une caméra^[114] alors que d'autres sont utilisés pour la conduite autonome^[115] ou le contrôle de robot, notamment grâce à l'apprentissage par renforcement^[116].

Au-delà du contrôle direct, en robotique l'apprentissage profond est utilisé pour planifier des actions ou des trajectoires dans la durée^[117].

Traitement automatique du langage naturel (TAL)

Les réseaux profonds permettent de traiter ou de générer du texte. Ils peuvent analyser le ton d'un texte pour en extraire les sentiments exprimés^[118] ou proposer une traduction d'un texte d'une langue source à une langue cible ; ils alimentent les traducteurs automatiques Google Traduction ou Deepl^[119],[120].

Les grands modèles de langage (LLM) permettent de produire et d'analyser du texte, ils trouvent des applications dans de nombreux domaines. Ils sont utilisés pour extraire des informations de documents^[121], générer des programmes informatiques^[122], écrire des preuves mathématiques^[123], etc.

Traitement de la parole et du signal audio

La reconnaissance automatique de la parole a profité de l'apprentissage profond. Ce dernier a permis de développer une nouvelle manière pour l'humain d'interagir avec les machines^[124], en plus de permettre le sous-titrage automatique de vidéos, comme avec le modèle Whisper développé par OpenAI^[125]. De plus, l'apprentissage profond est utilisé dans la génération de voix synthétiques réalistes ou pour le clonage de voix^[126].

Des modèles permettent de traiter un signal audio existant en effaçant les bruits parasites^[127] ou en séparant les sources (par exemple, séparation de la voix et de la musique)^[128]. D'autres permettent de générer des œuvres musicales^[129] ou d'identifier des oiseaux à partir de leur chant^[130].

Jeux, planification et optimisation

Les jeux constituent un terrain d'évaluation privilégié de la capacité des modèles à planifier des stratégies et interagir avec un environnement complexe. Les réseaux profonds ont permis d'améliorer les performances des modèles dans certains jeux de plateau pour lesquels les méthodes classiques n'étaient pas suffisamment efficaces pour atteindre un niveau d'expert humain, comme le jeu de Go^[131].

L'apprentissage profond alimente également des modèles jouant aux jeux vidéo à un niveau surhumain comme le modèle AlphaStar jouant à Starcraft, ou les agents entraînés sur les jeux de la console Atari 2600^[132],[133].

Sciences fondamentales et ingénierie

En physique, l'apprentissage profond est utilisé pour la recherche sur les particules exotiques^[134]. Des modèles entraînés grâce à l'apprentissage par renforcement permettent de contrôler le plasma au sein d'un tokamak^[135]. Plus généralement, des modèles sont utilisés pour accélérer les simulations physiques, comme avec la mécanique des fluides^[136].

En biologie, AlphaFold permet d'estimer la structure dans l'espace d'une protéine à partir de sa séquence d'acides aminés, permettant ainsi un gain de temps important en comparaison des méthodes expérimentales. Des modèles facilitent également l'étude de l'ADN et des segments non codants du génome ou la cytométrie^{[137],[138],[139]}.

Santé et diagnostic médical

Beaucoup de défis médicaux profitent du développement de l'apprentissage profond, notamment en analyse d'image, mais ce secteur nécessite des garanties et une explicabilité que les modèles peuvent avoir des difficultés à apporter, freinant ainsi l'adoption^[140]. De nombreux succès de l'apprentissage profond concernent le diagnostic médical et la détection de maladies. À partir de photographies, de radiographies ou d'autres images, des modèles permettent de détecter et de localiser des cancers comme les mélanomes, des rétinopathies ou d'autres problèmes médicaux^{[141],[142],[143]}. Le diagnostic peut être réalisé à partir de sources diverses, comme l'utilisation de la voix pour détecter la maladie de Parkinson^[144].

Les réseaux profonds peuvent également traiter les images pour améliorer leur qualité et faciliter le diagnostic en retirant le bruit ou en augmentant leur résolution. Ces méthodes permettent parfois de raccourcir la période nécessaire à l'acquisition de l'image, réduisant ainsi les nuisances occasionnées au patient (dose de radiation, durée de l'examen)^{[145],[146],[147]}.

Des systèmes comme Horus permettent d'apporter une aide aux malvoyants ou aux aveugles en facilitant leur orientation et en fournissant une description de ce qui se passe devant eux^[148].

Usages malveillants et désinformation

L'apprentissage profond facilite l'émergence d'usages malveillants. Il est devenu possible avec les hypertrucages d'incruster le visage d'une personne sur une autre, à son insu, et de lui faire faire ou dire des choses qu'elle n'a pas faites (comme dans le film Running Man de 1986), l'apprentissage profond recréant les mouvements du visage en rendant l'incrustation ressemblante. Ainsi, plusieurs actrices comme Gal Gadot, Emma Watson, Cara Delevingne, Emma Stone, Natalie Portman ou Scarlett Johansson se sont retrouvées avec leur visage incrusté sur celui d'une actrice pornographique, soulevant des craintes quant à la généralisation d'un tel usage, permettant à n'importe qui de nuire à la réputation d'une autre personne^[149]. Face à ce danger, plusieurs plates-formes telles que Pornhub, Twitter et Reddit ont réagi en interdisant la publication de telles vidéos, et l'utilisateur « deepfakes », créateur du logiciel éponyme permettant à tout usager de créer des fausses vidéos à caractère pornographique, a été banni de Reddit et son fil dédié supprimé^[150].

Les modèles d'intelligence artificielle générative permettent de générer des vidéos ou des images à partir d'une description, ils s'ajoutent aux technologies d'hypertrucages comme outils de désinformation politique. Aux États-Unis, lors de la primaire du Parti démocrate du New Hampshire, ces technologies ont été utilisées pour dissuader les électeurs de voter en imitant la voix de Joe Biden, alors à la tête du pays^[151]. En 2026, lors des élections législatives en Hongrie, le Fidesz (parti de Viktor Orbán, le premier ministre en poste) fait usage de l'hypertrucage pour décrédibiliser Péter Magyar, considéré comme le principal opposant au parti. Des vidéos générées par IA sont également diffusées par le parti pour justifier leur narratif^[152].

Au-delà du risque de croire une fausse information, ces outils peuvent conduire certains à remettre en doute la véracité de photos ou de vidéos pourtant authentiques^[153]. En 2025, Jean-Luc Mélenchon (homme politique français) publie une photo d'une manifestation, il est accusé à tort par certains internautes d'avoir utilisé l'intelligence artificielle pour modifier le contenu de l'image en y ajoutant des drapeaux français. Ces accusations, appuyées par des outils de détection de contenu généré par IA, s'avèrent toutefois erronées^[154].

Ces outils sont par ailleurs utilisés dans le cadre d'activités illégales comme des escroqueries, des arnaques ou des fraudes, mais également pour du chantage sexuel (on parle aussi de sextorsion)^{[155],[156],[157]}. D'après un rapport de Surfshark, les fraudes liées à l'hypertrucage représentent plus de 2 milliards de dollars pour l'année 2026^[158].

Droits d'auteur et propriété intellectuelle

Pour entraîner des modèles d'IA générative capables de générer des images, de la vidéo ou du texte, leurs concepteurs utilisent le plus souvent du contenu trouvé sur internet, quand bien même celui-ci est protégé par des droits d'auteur^[6]. Certains ayants droit, comme des artistes ou des journaux, s'opposent à cet usage ; l'accès à certains contenus, par exemple les articles du New York Times, est bloqué pour les systèmes automatisés, et des procès sont intentés à l'encontre d'entreprises comme Google ou OpenAI^{[159],[160],[161]}. Les concepteurs de ces outils d'intelligence artificielle justifient la légalité de leur activité en avançant que l'entraînement est un usage transformateur du contenu qui ne viole pas les droits d'auteur^[162].

L'utilisation de ce contenu repose sur des fondements légaux différents en Europe et aux États-Unis. Dans l'Union européenne, cet usage repose sur la directive européenne sur le droit d'auteur qui donne la possibilité aux ayants droit de refuser l'utilisation de leur propriété intellectuelle (à l'exception de la recherche scientifique par des organismes à but non lucratif). Mais ce dernier est parfois techniquement difficile à mettre en œuvre, d'autant que beaucoup d'ayants droit ont découvert l'utilisation de leurs œuvres a posteriori. Aux États-Unis, c'est sur la base légale du « fair use » que repose la défense des entreprises distribuant ces modèles^[6].

⁣Des procès dans différents pays ont conduit des juges à statuer sur la légalité de ces activités. Au Royaume-Uni, la justice rejette les accusations de contrefaçon portées par Getty Images contre Stability AI, estimant que son modèle StableDiffusion ne stocke pas et ne reproduit pas d'œuvres protégées (l'entreprise plaignante ayant abandonné certaines de ses accusations en cours de procès). En revanche, elle reconnaît coupable l'entreprise pour contrefaçon de marque suite à l'apparition du logo de Getty Images sur certaines images générées^[163]. Lors d'un procès opposant les auteurs Andrea Bartz, Charles Graeber et Kirk Wallace Johnson à Anthropic concernant l'utilisation de leurs ouvrages pour l'entraînement de Claude, la justice reconnait que l'utilisation d'œuvres obtenues légalement pour entraîner leur modèle peut relever du fair use mais elle rejette l'utilisation de contenus piratés, renvoyant cette partie à une procédure de fond^[164]. La question de la légalité de l'entraînement de modèles génératifs sur du contenu protégé est mondiale, des procès ont également été engagés en France et en Allemagne où OpenAI a été condamné pour avoir enfreint les droits d'auteur concernant des œuvres musicales ; cette condamnation est une première mondiale^[165],[166].

Concernant les images générées elles-mêmes, la plupart des législations dans le monde n'accordent un droit d'auteur qu'aux créations humaines^[167],[168]; le contenu intégralement généré par IA n'est donc pas protégeable, comme l'illustre l'affaire Thaler v. Perlmutter^[169]. Cependant cela ne concerne pas les œuvres dont la création a été assistée par IA où les contributions humaines sont protégeables^[170].

Biais algorithmiques et discriminations

À l'instar d'autres systèmes algorithmiques, les réseaux profonds peuvent perpétuer ou amplifier les inégalités et être à l'origine de discriminations. Ce comportement du modèle ne vient pas nécessairement d'une volonté de ses concepteurs. Il peut avoir pour origine les données et la manière dont elles ont été récoltées puis traitées, ou encore la présence de biais dans la manière dont le modèle est évalué^[171],[172].

Certains modèles sont moins performants pour une certaine catégorie d'utilisateurs que pour les autres : de nombreux algorithmes de reconnaissance faciale présentent des performances significativement moins bonnes pour les visages de personnes à la peau foncée, les femmes ou les personnes âgées ; les femmes noires semblent être la catégorie de la population avec le taux d'erreur le plus élevé^[173],[174].

Certains algorithmes participent à entretenir des discriminations : un outil de recrutement développé par Amazon donnait des notes plus faibles aux femmes qu'aux hommes. Ce biais tire son origine de la base de données utilisée par l'entreprise, qui contenait beaucoup plus de profils masculins que féminins, le modèle interprétant ainsi le genre féminin comme une caractéristique à éviter^[175],[176].

Face à ce risque, certaines institutions publiques comme le Défenseur des droits (autorité administrative indépendante chargée de lutter contre les discriminations en France) mettent en garde les entreprises vis-à-vis des systèmes algorithmiques et du risque de discrimination. Cette dernière recommande de renforcer l'explicabilité des algorithmes et de réaliser des audits avant la mise en production de systèmes automatisés susceptibles d'être à l'origine de discrimination^[177]. À l'échelle de l'Union européenne, l'AI Act impose des exigences de transparence pour limiter le risque de discrimination pour les systèmes d'IA à haut risque^[178].

Impact environnemental

Le développement et l'utilisation des modèles profonds nécessitent du matériel informatique et de l'électricité, notamment les grands modèles de langages reposent sur des centres de données qui consomment de l'eau pour leur refroidissement et de grandes quantités d'électricité^[7].

L'entraînement des modèles nécessite de grandes quantités d'électricité. Pour entraîner le modèle GPT-3 (moins performant et moins lourd que les modèles plus récents), la consommation s'est élevée à environ 1 287 MWh d'électricité. Pourtant, puisque le modèle est utilisé par un grand nombre d'utilisateurs, l'entrainement représente une petite proportion de la consommation électrique ; la majeure partie de la consommation électrique est imputable à l'utilisation du modèle : la phase d'inférence^[7]. Pour les modèles les plus populaires, il semblerait qu'au-delà de quelques semaines, la quantité d'électricité consommée par l'utilisation dépasse la quantité d'électricité utilisée pendant l'entraînement^[179].

Avec des densités plus élevées, les centres de données d'IA demandent souvent un refroidissement liquide, contrairement aux centres de données classiques qui sont refroidis avec de l'air^[180]. Ces centres prélèvent de l'eau d'une source (systèmes publics, eaux souterraines et eaux de surface) et en consomment une partie par évaporation pour refroidir leurs serveurs ; l'eau non consommée peut être rejetée dans les systèmes d'assainissement des eaux usées. La proportion d'eaux consommées varie de 45 % à 60 % selon les entreprises. Cependant, cette consommation ne représente qu'une faible part de la consommation d'eau attribuable à l'utilisation de ces modèles. Ainsi 13 % de la consommation d'eau imputable à la génération d'une réponse par le modèle GPT-3 sont directement attribuables au centre de données, les 87 % restants sont liés à la production d'électricité en amont (refroidissement des centrales électriques)^[181].

Finalement, une analyse du cycle de vie d'un modèle de Mistral AI montre que 85,5 % des émissions de gaz à effet de serre et 91 % de la consommation d'eau ont lieu durant la phase d'entraînement et d'utilisation du modèle (regroupées dans l'analyse sans distinctions fines) et que 61 % de la consommation de matériaux est attribuable à la fabrication, au transport et à la fin de vie des serveurs^[182].