ElemedexEnciclopedia de bolsillo de arquitecturas de IA
N.º 049

Red de Hopfield

Content-addressable (associative) memory

Atractor

No guarda sus recuerdos en ningún cajón: los guarda en la forma del terreno. Basta mostrarle la mitad de una cara para que ruede cuesta abajo hasta completarla. Si se le enseñan demasiadas caras, empieza a mezclarlas y a recordar algunas que nunca vio.

Altura
1 capa recurrente: cada unidad conectada con todas las demás
Peso
1 bit de estado por unidad + la matriz de pesos (kilobytes)
Parámetros
N(N−1)/2 pesos simétricos: 4.950 con N = 100
Contexto
sin secuencia: un estado de N bits
Datos de entrenamiento
los patrones a recordar: ≈ 0,15 N (≈ 15 con N = 100)
Año
1982
Generación
2 · Aprendizaje automático clásico
Creadores
John J. Hopfield (Caltech / Bell Laboratories)
Clase
Arquitectura

Estadísticas base

Total
109

Escalas ordinales y aproximadas, pensadas para comparar especies entre sí; los números duros están en la ficha.

Debilidades

  • Capacidad baja: con N unidades guarda unos 0,14 N patrones, y si se la sobrecarga olvida todo de golpe.
  • Tiene mínimos espurios: valles que nadie guardó, a menudo mezclas de recuerdos verdaderos.
  • Los recuerdos demasiado parecidos se confunden y terminan fundidos en uno.
  • Recupera lo que tiene, pero no aprende una función que generalice a casos nuevos.

Hábitat

Nació en 1982 en las actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos, escrita por un físico que trabajaba entre Caltech y los Laboratorios Bell. Hoy vive en los manuales de neurociencia computacional y de física estadística y, transformada, dentro de cada capa de atención. En 2024 visitó Estocolmo.

Movimientos

  • —Completar un patrón a partir de una parte
  • —Corregir errores
  • —Descenso de energía
  • MT026Aprendizaje hebbiano
  • —Reconocer lo no familiar
  • —Optimización combinatoria (el viajante)

Habilidades

Memoria direccionable por contenido
No hace falta saber dónde está un recuerdo: basta con una parte suficiente de él, o con una versión con errores, para recuperarlo entero.
Función de energía
Con pesos simétricos, cada actualización baja o deja igual la energía E = −½ Σ wᵢⱼ sᵢ sⱼ; la red no puede dar vueltas para siempre y se detiene en un mínimo.
Pesos de Hebb
Los pesos se fijan de una sola vez, sumando las correlaciones entre unidades en los patrones que se quieren guardar: no hay gradiente ni retropropagación.

Anatomía

Una unidad al azar↻los mismos pesosPatrones ξ¹ … ξᵖHebb: wᵢⱼ = Σ ξᵢ ξⱼPesos simétricos, wᵢᵢ = 0Pista: «& Wannier, (1941)»s₁s₂s₃s₄s₅hᵢ = Σⱼ wᵢⱼ sⱼsᵢ ← signo(hᵢ)E = −½ Σ wᵢⱼ sᵢ sⱼ bajaAtractor: la cita completaGuardar (una sola vez)Recordar

Una red de Hopfield de cinco unidades. A la izquierda, el almacenamiento: los pesos se calculan una sola vez a partir de los patrones (regla de Hebb) y quedan simétricos. A la derecha, el recuerdo: la red arranca en la pista parcial (el ejemplo es del propio Hopfield (1982)); en cada paso, una unidad elegida al azar suma lo que le envían todas las demás y se alinea con esa suma. Cada cambio baja o deja igual la energía E, así que la red termina en un valle: el patrón guardado más parecido a la pista. Hopfield usó estados 0/1; aquí se escriben ±1, la convención habitual hoy.

Cadena evolutiva

049 Red de Hopfield

Una red de Hopfield es una red neuronal recurrente en la que cada unidad está conectada con todas las demás y cuya dinámica la arrastra, paso a paso, hacia estados estables. Esos estados son sus recuerdos. John Hopfield la presentó en 1982 como un modelo físico de memoria «direccionable por contenido»: un sistema que recupera un recuerdo entero a partir de una parte suficiente de él (Hopfield, 1982).

Cómo funciona

Cada unidad es binaria, como la neurona de McCulloch y Pitts (Hopfield usó 0 y 1; hoy suele escribirse ±1). En momentos al azar, una unidad suma las señales que le llegan, hᵢ = Σⱼ wᵢⱼ sⱼ, y se enciende si la suma supera el umbral. Las actualizaciones son asincrónicas, sin reloj global (Hopfield, 1982, p. 2555).

Para guardar un conjunto de patrones, los pesos se fijan de una sola vez: wᵢⱼ suma, sobre todos los patrones, el producto de los valores de las unidades i y j, con wᵢᵢ = 0 (1982, p. 2555). Es la idea de Hebb de que las neuronas que se activan juntas refuerzan su conexión (Hebb, 1949; Buckner, 2024, p. 183). No hay descenso por gradiente ni retropropagación: aprender es sumar correlaciones.

Lo decisivo es que, si los pesos son simétricos (wᵢⱼ = wⱼᵢ), la cantidad E = −½ Σᵢⱼ wᵢⱼ sᵢ sⱼ nunca aumenta con una actualización. La red tiene que detenerse en un mínimo local de esa «energía», y Hopfield notó que el sistema es isomorfo a un modelo de Ising, el de los imanes, con los pesos en el papel del acoplamiento entre espines (1982, p. 2556). Los patrones guardados son valles del paisaje de energía (atractores): si la red arranca cerca de uno, cae en él. El ejemplo del artículo es una referencia bibliográfica, «H. A. Kramers & G. H. Wannier Phys. Rev. 60, 252 (1941)», que debería recuperarse a partir de «& Wannier, (1941)» o incluso de «Vannier, (1941)» (1982, p. 2554).

La capacidad es modesta: unos 0,15 N patrones para N unidades antes de que el recuerdo se vuelva muy defectuoso (1982, p. 2556); el análisis posterior con la física de los vidrios de espín la fijó en ≈ 0,138 N (Ramsauer et al., 2021, sec. 1). Si se sigue cargando la red, no olvida de a poco: todos los recuerdos se vuelven irrecuperables (Hopfield, 1982, p. 2557).

Qué cambió

La unidad es casi la de 1943; lo nuevo es el cableado. Hopfield se distinguía del perceptrón, con conexiones solo «hacia adelante» y neuronas sincronizadas: «all our interesting results arise as consequences of the strong back-coupling» (1982, p. 2555). La computación deja de ser una secuencia de instrucciones y pasa a ser la relajación de un sistema físico, una propiedad colectiva o emergente. Con David Tank, Hopfield usó una versión analógica de la red para encontrar buenas soluciones al problema del viajante (Hopfield y Tank, 1985).

Su pariente estocástico es la máquina de Boltzmann de Ackley, Hinton y Sejnowski: las unidades cambian de estado con una probabilidad que depende de una temperatura, se agregan unidades ocultas y el objetivo ya no es guardar patrones sueltos sino aprender la distribución de los datos, como un modelo generativo (Ackley et al., 1985; Witten et al., 2017, pp. 449–450). En 2024, Hopfield y Hinton recibieron el Premio Nobel de Física «for foundational discoveries and inventions that enable machine learning with artificial neural networks» (Real Academia Sueca de Ciencias, 2024b).

Forma moderna: memoria y atención

Ramsauer et al. (2021) propusieron una red de Hopfield con estados continuos y una energía exponencial, que guarda una cantidad de patrones exponencial en la dimensión y suele recuperarlos en un solo paso. Su regla de actualización, ξ′ = X softmax(β Xᵀ ξ), es la atención del Transformer con β = 1/√dₖ: la pista parcial hace de consulta y los patrones guardados, de claves y valores (2021, sec. 2). La equivalencia es formal, y conviene no exagerarla: en un transformer los «recuerdos» son los demás tokens del contexto, y cada capa da un solo paso de recuperación (ver consultas, claves y valores).

Límites

Además de la capacidad, la red tiene mínimos espurios que nadie guardó (Ramsauer et al., 2021, sec. 1), y los recuerdos demasiado parecidos se confunden y tienden a fundirse (Hopfield, 1982, p. 2557). Como memoria práctica quedó superada; como modelo de cómo una red puede recordar sin direcciones, sigue vigente.

Fuentes

  • Ackley, D. H., Hinton, G. E., & Sejnowski, T. J. (1985). A learning algorithm for Boltzmann machines. Cognitive Science, 9(1), 147–169. https://doi.org/10.1207/s15516709cog0901_7 §
  • Bartlett, F. C. (1932). Remembering: A study in experimental and social psychology. Cambridge University Press. §
  • Buckner, C. J. (2024). From deep learning to rational machines: What the history of philosophy can teach us about the future of artificial intelligence. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780197653302.001.0001 §
  • Hebb, D. O. (1949). The organization of behavior: A neuropsychological theory. Wiley. §
  • Hopfield, J. J. (1982). Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities. Proceedings of the National Academy of Sciences, 79(8), 2554–2558. https://doi.org/10.1073/pnas.79.8.2554 §
  • Hopfield, J. J., & Tank, D. W. (1985). “Neural” computation of decisions in optimization problems. Biological Cybernetics, 52(3), 141–152. https://doi.org/10.1007/BF00339943 §
  • Ramsauer, H., Schäfl, B., Lehner, J., Seidl, P., Widrich, M., Gruber, L., Holzleitner, M., Adler, T., Kreil, D., Kopp, M. K., Klambauer, G., Brandstetter, J., & Hochreiter, S. (2021). Hopfield networks is all you need. In 9th International Conference on Learning Representations (ICLR 2021). https://openreview.net/forum?id=tL89RnzIiCd §
  • The Royal Swedish Academy of Sciences. (2024b, October 8). The Nobel Prize in Physics 2024 [Press release]. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2024/press-release/ §
  • Witten, I. H., Frank, E., Hall, M. A., & Pal, C. J. (2017). Data mining: Practical machine learning tools and techniques (4th ed.). Morgan Kaufmann. https://doi.org/10.1016/C2015-0-02071-8 §