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Entwicklung & Code

Softwareentwicklung: Lern bloß nicht programmieren!


Ich weiß: Der Titel ist provokant (dazu am Ende mehr), und Sie werden bei den ersten Sätzen vielleicht denken:

„Nicht schon wieder ein Artikel zum Thema KI!“

Aber darum geht es gar nicht – vertrauen Sie mir: Künstliche Intelligenz wird in diesem Beitrag nur am Rande behandelt, sie dient lediglich als Aufhänger. Denn tatsächlich geht es hier um etwas sehr viel Grundsätzlicheres.


the next big thing – Golo Roden

the next big thing – Golo Roden

Golo Roden ist Gründer und CTO von the native web GmbH. Er beschäftigt sich mit der Konzeption und Entwicklung von Web- und Cloud-Anwendungen sowie -APIs, mit einem Schwerpunkt auf Event-getriebenen und Service-basierten verteilten Architekturen. Sein Leitsatz lautet, dass Softwareentwicklung kein Selbstzweck ist, sondern immer einer zugrundeliegenden Fachlichkeit folgen muss.

In letzter Zeit hört man immer wieder den Satz:

„In Zukunft wird niemand mehr programmieren müssen. Das übernimmt dann alles die KI.“

Vielleicht haben auch Sie diesen Satz bereits ausgesprochen oder zumindest darüber nachgedacht – oder Sie haben sich gefragt, was er für Sie persönlich eigentlich bedeutet. Denn dieser Satz kann sehr unterschiedliche Reaktionen auslösen: Für manche klingt er wie ein Versprechen, für andere wie eine Bedrohung – und für wieder andere wie die Eintrittskarte in eine neue Welt. Aber unabhängig davon, wie man ihn bewertet, lohnt es sich, ihn genauer zu betrachten. Nicht nur unter dem Aspekt, ob er inhaltlich zutrifft, sondern vor allem auch mit Blick auf die Frage, was mit „Programmieren“ in diesem Zusammenhang überhaupt gemeint ist.

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Lern bloß nicht programmieren // deutsch

Denn genau hier liegt ein wesentlicher Knackpunkt. Wenn man unter „Programmieren“ das Schreiben von Code versteht (also Funktionen formulieren, Bedingungen ausdrücken, Datenstrukturen anlegen), dann gilt: Ja, diese Tätigkeit kann eine KI schon heute in weiten Teilen übernehmen. Und dieser Trend wird sich weiter verstärken. Wenn man jedoch unter „Programmieren“ versteht, Software zu entwickeln, also Probleme zu analysieren, zu strukturieren, zu modellieren und am Ende eine Lösung zu schaffen, die diesen Namen auch verdient, dann wird schnell klar: Das ist etwas ganz anderes. Und das lässt sich nicht ohne Weiteres automatisieren.

Genau darüber möchte ich heute schreiben. Nicht über den Hype oder über die Panik. Sondern über die Frage: Was bedeutet es eigentlich, programmieren zu können? Und wofür brauchen wir diese Fähigkeit?

Denn das Missverständnis beginnt bereits ganz am Anfang. Und wenn wir es nicht auflösen, dann treffen wir am Ende schlechte Entscheidungen – im Beruf, in der Ausbildung und in der persönlichen Orientierung. Es geht also um nichts weniger als die Frage: Was zeichnet gute Softwareentwicklung heute eigentlich aus? Und vor diesem Hintergrund ist der Satz

„Lern bloß nicht programmieren!“

vielleicht das Beste, was Sie heute lesen werden.

Ich hatte eingangs versprochen, dass es in diesem Text nur am Rand um KI gehen wird – und deshalb lassen wir sie jetzt auch erst einmal beiseite. Beginnen wir stattdessen mit dem Einstieg in die Welt der Softwareentwicklung. Wenn ich mit Menschen spreche, die überlegen, in diese Branche einzusteigen, dann fällt mir auf, dass fast alle mit der gleichen Frage beginnen:

„Welche Programmiersprache soll ich denn lernen?“

Und ich verstehe diese Frage. Sie wirkt konkret, sie vermittelt Orientierung und sie suggeriert, dass man weiß, was zu tun ist: Man wählt Python oder JavaScript oder Go oder eine andere Sprache, lernt die Grundlagen, macht ein paar Tutorials, schreibt ein erstes Projekt – und ist damit auf dem Weg zur Softwareentwicklerin oder zum Softwareentwickler. Tatsächlich gibt es dazu eine beeindruckende Vielzahl an Ressourcen: Bücher, Crashkurse, Bootcamps, YouTube-Serien, alles speziell für Einsteigerinnen und Einsteiger, alles technisch orientiert, und alles mit dem impliziten Versprechen:

„Wenn du erst einmal die Programmiersprache beherrschst, dann bist du ein Developer.“

Aber genau hier beginnt das Problem. Denn was diese Angebote nicht vermitteln, ist, dass eine Programmiersprache lediglich ein Werkzeug ist – und zwar ein vergleichsweise kleines. Ich ziehe hierzu gerne die Analogie zum Schreiben: Natürlich muss man die Sprache beherrschen, in der man schreiben möchte. Man muss Grammatik und Rechtschreibung können. Man muss einen Satz zu Ende bringen können. Aber all das macht einen noch nicht zur Autorin oder zum Autor eines guten Buches. Oder eines klaren Berichts. Oder einer überzeugenden Analyse.

Genauso verhält es sich mit dem Programmieren: Sie beherrschen die Syntax, Sie wissen, was Schleifen sind, Sie können Bedingungen formulieren. Vielleicht haben Sie sogar schon kleinere Projekte umgesetzt – eine Notiz-App, einen Taschenrechner, eine einfache Webseite. Und trotzdem fühlen Sie sich unsicher. Sie wissen nicht, wie Sie größere Probleme angehen sollen. Sie sind überfordert, wenn Ihnen jemand ein echtes fachliches Anliegen beschreibt. Sie haben das Gefühl, dass Ihnen etwas fehlt – und können nicht genau sagen, was es ist.

Dieses Gefühl ist berechtigt. Denn was Ihnen fehlt, ist nicht das Programmieren – sondern das, was davor kommt.

Damit kommen wir zu einem Punkt, der mir persönlich sehr wichtig ist, weil ich ihn für problematisch halte: In den letzten Jahren sind zahlreiche Bootcamps und Schnellkurse entstanden, die versprechen, aus Ihnen in drei Monaten eine Fullstack-Entwicklerin oder einen Data Scientist zu machen, oder in zwölf Wochen einen KI-Engineer. Auf dem Papier klingt das attraktiv. Sie investieren einige Wochen oder Monate, absolvieren eine intensive Ausbildung, und anschließend (so das Versprechen) sind Sie bereit für den Arbeitsmarkt.

Und ja: Technisch gesehen ist das nicht völlig falsch. Sie werden nach drei Monaten vermutlich in der Lage sein, einfache Webanwendungen zu bauen. Sie werden eine Sprache beherrschen, vielleicht zwei. Sie werden Tools bedienen können. Sie wissen, wie man mit Git arbeitet, wie man die Kommandozeile benutzt, wie man eine React-App aufsetzt.

Aber was Sie in dieser Zeit nicht lernen, ist das, was den Unterschied macht zwischen jemandem, der Code schreibt, und jemandem, der Software entwickelt. Sie lernen nicht, wie man mit Kundinnen und Stakeholdern spricht. Sie lernen nicht, wie man Anforderungen hinterfragt. Sie lernen nicht, wie man ein Problem so abstrahiert, dass es im Code wiedererkennbar wird. Sie lernen nicht, wie man modelliert. Und Sie lernen auch nicht, wie man mit Komplexität umgeht, mit Widersprüchen, mit Veränderungen.

Genau das ist der Punkt, der mich stört: Diese Ausbildungsprogramme erzeugen oft eine verzerrte Vorstellung davon, was Softwareentwicklung eigentlich ist. Sie verkaufen das Werkzeug und tun so, als sei man damit bereits Handwerker. Aber niemand wird Chirurgin, weil sie ein Skalpell halten kann. Und niemand wird Komponist, weil er eine Noten-App bedienen kann. Und in der Softwareentwicklung ist das nicht anders.

Ganz wichtig: Es geht mir hier nicht darum, pauschal gegen alle Bootcamps oder Schulungsprogramme zu argumentieren. Es gibt sicherlich auch Formate, die bemüht sind, Substanz zu vermitteln, den Beruf differenziert zu erklären und die Teilnehmerinnen und Teilnehmer nicht bloß durch eine Technologieschleife zu treiben. Aber: Es gibt eben auch viele Programme, bei denen das nicht der Fall ist – und bei denen man (zumindest mit etwas Erfahrung) deutlich merkt, dass es in erster Linie darum geht, mit der Hoffnung von Menschen, die vielleicht einen Neuanfang suchen, Geld zu verdienen. Und ich finde, genau das muss man benennen dürfen.

Wenn Sie Software entwickeln wollen, dann müssen Sie verstehen, dass der wichtigste Teil Ihrer Arbeit unsichtbar ist. Er passiert vor dem Code. Vor dem Editor. Vor dem ersten Commit. Er beginnt mit einem Problem – und mit einem Menschen, der dieses Problem hat. Oder mit einer Organisation, einer Abteilung, einem Prozess. Ihre erste Aufgabe ist, zuzuhören. Nicht zu kommentieren oder eine Lösung vorzuschlagen. Sondern wirklich zuzuhören. Zu verstehen, worum es geht. Was dahinter liegt. Welche Perspektiven es gibt. Welche Abhängigkeiten. Welche Zwänge. Welche Wünsche.

Dann folgt der nächste Schritt: Strukturieren. Sie müssen beginnen, das Gehörte in Gedankenmodelle zu überführen. Was sind Begriffe, die immer wieder vorkommen? Was sind Zustände, was sind Übergänge, was sind Regeln? Was sind relevante Zusammenhänge – und welche sind es nicht? Und dann: Reduktion. Sie müssen entscheiden, was wirklich zählt. Sie müssen abstrahieren, verdichten, weglassen. Sie müssen aus der unendlichen Vielfalt der Realität ein Modell bauen, das gerade gut genug ist, um das Problem zu lösen – aber nicht mehr.

Und erst danach kommt das, was viele für den eigentlichen Job halten: der Code. Aber zu diesem Zeitpunkt wissen Sie längst, was Sie ausdrücken wollen. Sie haben die Struktur, Sie haben die Begriffe, Sie kennen die Regeln. Der Code ist dann nur noch das Werkzeug – nicht mehr das Denken.

Ich erinnere mich noch gut an eine Aussage eines Professors während meines Studiums. Sinngemäß sagte er:

„Das eigentliche Programmieren – das Schreiben von Code – sind nur die letzten zehn Prozent der Softwareentwicklung.“

Ich war damals irritiert. Ich dachte:

„Was soll ich denn mit den anderen 90 Prozent der Zeit anfangen?“

Heute, mit 25 Jahren mehr Erfahrung, weiß ich genau, was er damals meinte: Es ist die Zeit, die man braucht, um zu verstehen, worum es wirklich geht. Um herauszufinden, welches Problem gelöst werden soll. Um Klarheit zu schaffen, Prioritäten zu setzen, Strukturen zu entwerfen. Natürlich ist Code wichtig – keine Frage. Aber er ist eben nur der letzte Schritt. Und wenn man die neunzig Prozent davor nicht beherrscht, wird auch der Code nicht gut. Selbst dann nicht, wenn er formal korrekt ist – weil er wahrscheinlich am eigentlichen Problem vorbeigeht.

An genau diesem Punkt kommt die KI ins Spiel. Viele Menschen machen sich derzeit Sorgen, dass ihre Fähigkeiten bald nicht mehr gebraucht werden. Dass ihr Job ersetzt wird. Dass das, was sie mit Mühe und Leidenschaft gelernt haben, plötzlich wertlos ist. Und ja: Wenn man seine Rolle so versteht, dass man Code schreibt, Anforderungen umsetzt, Dinge nach Anleitung erledigt – dann ist diese Sorge nicht unbegründet.

Denn genau diese Art von Arbeit kann eine KI heute schon gut simulieren. Sie kann Code generieren, Testfälle schreiben, Schnittstellen definieren. Sie kann sogar ganze UI-Komponenten bauen, vorausgesetzt, man beschreibt präzise, was sie tun sollen. Aber genau das ist das Problem: Sie weiß nicht, ob das, was sie umsetzt, auch sinnvoll ist. Sie hat kein Urteilsvermögen, kein Verständnis für fachliche Zusammenhänge. Keine Intuition für Ambivalenz. Keine Empathie für Unsicherheit.

Alberto Brandolini hat es einmal sehr treffend formuliert:

„The biggest problem in software development is that software is not intended to match what the customer wanted, but what the developer thought the customer wanted.“

Sinngemäß übersetzt: Software bildet nicht das ab, was der Kunde braucht, sondern das, was Entwicklerinnen und Entwickler glauben, verstanden zu haben. Dieses Missverständnis ist der Kern. Gute Software entsteht nicht dadurch, dass jemand schnell Code schreibt, sondern dadurch, dass jemand richtig versteht, was gebraucht wird, und dieses Verstehen mit Technik verbindet. Genau das ist der Teil, den KI nicht leisten kann. Zumindest nicht in absehbarer Zeit.

Sie kann Vorschläge machen, ja. Sie kann Bekanntes wiederholen. Aber sie kann nicht in einem Gespräch zwischen Fachbereich und Entwicklungsteam heraushören, was zwischen den Zeilen gesagt wurde. Sie kann keine fehlenden Fragen stellen. Keine impliziten Annahmen entlarven. Keine Missverständnisse auflösen. Dafür braucht es Menschen.

Wenn Sie gute Software bauen wollen – langlebige, robuste, fachlich saubere Systeme –, dann müssen Sie Sprache ernst nehmen. Und damit ist nicht die Programmiersprache gemeint, sondern die natürliche Sprache. Denn Sprache ist das Medium, durch das wir Komplexität greifbar machen. Sie ist die Brücke zwischen dem, was Menschen sagen, und dem, was Maschinen tun.

Deshalb ist etwa Domain-Driven Design (DDD) ein so wertvoller Ansatz. DDD stellt die gemeinsame Sprache zwischen Entwicklungsteam und Fachabteilung ins Zentrum. Es geht nicht um Technologien, Frameworks oder Tools – sondern um Begriffe, Bedeutungen, Modelle. Sie entwickeln gemeinsam ein tiefes Verständnis dafür, wie die Welt der Anwenderinnen und Anwender funktioniert. Welche Konzepte es gibt, welche Regeln gelten, was typisch ist – und was nicht.

Aus diesem gemeinsamen Verständnis entsteht das Modell der Software. Keine Tabellen. Keine Klassen. Keine Funktionen. Sondern ein fachliches Modell, das Sie in einem letzten Schritt in Code übersetzen.

Wenn Sie wissen möchten, wie man solche Modelle haltbar macht – wie man Systeme so aufbaut, dass die Fachlichkeit sichtbar bleibt, dass Entscheidungen nachvollziehbar sind, dass die Sprache erhalten bleibt –, dann lohnt sich ein Blick auf Domain-Driven Design und auch auf Event-Sourcing. Es sind zwei Ansätze, die wir sehr intensiv verfolgen – und zu denen wir bereits zahlreiche Videos und auch Artikel veröffentlicht haben.

Zum Schluss möchte ich kurz schildern, wie sich mein eigenes Verständnis von Softwareentwicklung im Laufe der Zeit verändert hat. Als ich anfing, wollte ich möglichst viel Code schreiben. Ich wollte effizient sein, clever, schnell. Ich wollte neue Frameworks ausprobieren, neue Patterns anwenden, spannende Architekturen bauen. Und ganz ehrlich: Ich dachte lange, dass das der eigentliche Job sei.

Aber mit den Jahren habe ich gemerkt: Die spannendsten und wichtigsten Aspekte meiner Arbeit haben gar nichts mit Code zu tun. Es sind die Gespräche, die Diskussionen, die Versuche, etwas wirklich zu verstehen. Die Momente, in denen jemand sagt:

„Ach das ist gemeint!“

Und plötzlich wird etwas klar. Oder die Momente, in denen ich erkenne, dass eine Anforderung gar keine Lösung ist, sondern ein Workaround für ein ganz anderes, tieferliegendes Problem.

Heute schreibe ich deutlich weniger Code als früher – aber ich entwickle mehr Software. Weil ich mich auf das konzentriere, was zwischen den Menschen passiert: auf Sprache, auf Verstehen, auf Struktur. Und ich bin überzeugt: Genau das ist es, was Entwicklerinnen und Entwickler unersetzlich macht. Nicht, dass sie JavaScript oder Go oder TypeScript beherrschen. Sondern, dass sie Menschen verstehen können – und aus einem Problem eine Lösung entwickeln, die nicht nur funktioniert, sondern langfristig trägt.

Also: Lernen Sie bloß nicht programmieren – wenn Sie glauben, dass das genügt. Wenn Sie glauben, dass Sie durch das Erlernen einer Programmiersprache zur Entwicklerin oder zum Entwickler werden, dann begehen Sie denselben Denkfehler wie viele andere vor Ihnen. Lernen Sie stattdessen, zu verstehen. Lernen Sie zuzuhören. Lernen Sie zu abstrahieren. Lernen Sie, ein Problem in ein Modell zu überführen – und daraus ein System zu entwickeln. Und dann, ganz zum Schluss, lernen Sie, wie Sie das in Code ausdrücken.

Dann brauchen Sie keine Bootcamp-Versprechen – und auch keine Angst vor der KI. Denn dann sind Sie kein Coder. Dann sind Sie Softwareentwicklerin oder Softwareentwickler. Und die werden auch in Zukunft gebraucht – vielleicht mehr denn je.

Vielleicht haben Sie sich beim Lesen dieses Beitrags gefragt, warum ich ihn so provokant betitelt habe: „Lern bloß nicht programmieren!“

Und ja – der Titel ist bewusst zugespitzt. Er soll irritieren. Vielleicht auch kurz aufregen. Aber er verfolgt einen klaren Zweck: Ich wollte Ihre Aufmerksamkeit auf genau jenes Missverständnis lenken, das ich im Text herausgearbeitet habe. Denn viel zu viele Menschen glauben, dass das Lernen einer Programmiersprache gleichbedeutend damit sei, Softwareentwicklerin oder Softwareentwickler zu sein. Und mit diesem Beitrag wollte ich einen Kontrapunkt setzen – und zeigen, worauf es wirklich ankommt: Auf das Verstehen. Auf die Fähigkeit, Komplexität zu erfassen, Sprache ernst zu nehmen, Modelle zu entwickeln. Und erst dann – ganz am Ende – kommt der Code.

In diesem Sinne: Lernen Sie programmieren. Aber lernen Sie es als Werkzeug – nicht als Ziel.


(rme)



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Was ITler im Monat verdienen


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It was translated with technical assistance and editorially reviewed before publication.

Vollzeitbeschäftigte in IT-Berufen haben 2024 im Median einen monatlichen Bruttolohn von 5907 Euro erhalten, wie aus Zahlen der Bundesagentur für Arbeit (BA) hervorgeht. Im Vergleich zum ITler-Medianlohn von 2023 (5.688 Euro) stieg der Wert um rund 3,85 Prozent, was die offizielle Inflationsrate von 2,2 Prozent im Jahr 2024 übertrumpft. Median ist der in der Mitte liegende Wert einer Zahlenreihe; das heißt, es gibt gleich viele Gehälter, die niedriger und die höher als das Mediangehalt liegen.

Das Medianentgelt aller sozialversicherungspflichtig Vollzeitbeschäftigten stieg 2024 rein prozentual gesehen mit 5,7 Prozent deutlich stärker, was sich laut BA vor allem durch höhere Tarifabschlüsse begründet. Allerdings liegt der hier von der BA ermittelte allgemeine Wert mit 4.013 Euro auch klar unter den IT-Gehältern. Und in absoluten Zahlen haben die ITler leicht die Nase vorn: Ihr Zuwachs liegt bei 219 Euro, der Zuwachs aller Berufsgruppen bei 218 Euro.

Und auch bei den ITlern gibt es laut aktualisiertem Entgeltatlas der BA nach erhebliche Spreizungen je nach Bereich und Qualifikation. Fachinformatiker für die Anwendungsentwicklung bringen im Median 4.449 Euro brutto im Monat nach Hause, IT-System-Elektroniker 4.350 Euro. Darüber liegen etwa Web-Developer mit 4.826 Euro, IT-Administratoren mit 5.331 Euro, ERP-Berater (5.712 Euro) und Software-Entwickler (6.097 Euro). Deutlich mehr ist auch noch als IT-Sicherheitskoordinator (6.517 Euro) oder Backend-Entwickler (6.528 Euro) zu holen. Ebenfalls spielt das Geschlecht eine Rolle – je nach Job schneiden Frauen in der IT um knapp etwas über hundert Euro bis hin zu rund 700 Euro schlechter ab.

Über alle Berufsgruppen in Deutschland hinweg betrachtet, kommt die BA für Menschen ohne Berufsabschluss auf einen Verdienst von 2.987 Euro brutto, bei Angestellten mit anerkanntem Berufsabschluss sind es 3.870 Euro. Der allgemeine Median für Akademikerinnen und Akademiker liegt bei 5.916 Euro.

Wie oft bei solchen Gehaltsübersichten finden sich auch deutliche regionale Unterschiede. Während in Baden-Württemberg, Bayern, Hamburg und Hessen in der Regel die höchsten IT-Gehälter gezahlt werden, liegen die ostdeutschen Bundesländer meist deutlich hinten. Ein Systemadministrator würde laut BA etwa in Baden-Württemberg auf im Median auf 5.713 Euro monatlich kommen, in Sachsen hingegen nur auf 4.474 Euro. Mit Wohnort in Stuttgart wären es dann 6.223 Euro, in Dresden lediglich 4.483 Euro.

Die Daten basieren laut der BA auf der Meldung der Arbeitgeber zur Sozialversicherung. Dabei ist zu beachten, dass in der Kalkulation der Behörde nur Löhne und Gehälter bis zur Beitragsbemessungsgrenze für die Rentenversicherung einfließen. Die lag im vergangenen Jahr bei 7.550 Euro in Westdeutschland und 7.450 Euro in Ostdeutschland. Bei Berufen mit sehr guten Verdienstmöglichkeiten könnten die Median-Werte also noch höher ausfallen.

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(axk)



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software-architektur.tv: Das Beste aus 5 Jahren Software-Architektur im Stream


Seit fünf Jahren liefert software-architektur.tv regelmäßig Einblicke, Interviews und spannende Diskussionen zu einer Vielzahl von Themen rund um Softwarearchitektur. Zeit für einen Rückblick.

In dieser Jubiläums-Folge präsentieren Eberhard Wolff, Lisa Maria Schäfer und Ralf D. Müller Shorts aus verschiedenen Episoden der vergangenen Jahre und kommentieren sie gemeinsam. Mit dabei: ganz unterschiedliche Themen rund um Softwarearchitektur – von Domain-driven Design über historische Einblicke bis zu Monolithen und Microservices.

Lisa Maria Schäfer malt dieses Mal keine Sketchnotes.

Die Ausstrahlung findet live am Freitag, 25. Juli 2025, 13 bis 14 Uhr statt. Die Folge steht im Anschluss als Aufzeichnung bereit. Während des Livestreams können Interessierte Fragen via Twitch-Chat, YouTube-Chat, Bluesky, Mastodon, Slack-Workspace oder anonym über das Formular auf der Videocast-Seite einbringen.

software-architektur.tv ist ein Videocast von Eberhard Wolff, Blogger sowie Podcaster auf iX und bekannter Softwarearchitekt, der als Head of Architecture bei SWAGLab arbeitet. Seit Juni 2020 sind über 250 Folgen entstanden, die unterschiedliche Bereiche der Softwarearchitektur beleuchten – mal mit Gästen, mal Wolff solo. Seit mittlerweile mehr als zwei Jahren bindet iX (heise Developer) die über YouTube gestreamten Episoden im Online-Channel ein, sodass Zuschauer dem Videocast aus den Heise Medien heraus folgen können.

Weitere Informationen zur Folge finden sich auf der Videocast-Seite.


(map)



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Künstliche Neuronale Netze im Überblick 1: Das künstliche Neuron


Neuronale Netze sind der Motor vieler Anwendungen in KI und GenAI. Diese Artikelserie gibt einen Einblick in die einzelnen Elemente. Der erste Teil stellt das künstliche Neuron vor.


Michael Stal

Michael Stal

Prof. Dr. Michael Stal arbeitet seit 1991 bei Siemens Technology. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen Softwarearchitekturen für große komplexe Systeme (Verteilte Systeme, Cloud Computing, IIoT), Eingebettte Systeme und Künstliche Intelligenz.

Er berät Geschäftsbereiche in Softwarearchitekturfragen und ist für die Architekturausbildung der Senior-Software-Architekten bei Siemens verantwortlich.

Ein künstliches Neuron ist der Grundbaustein jedes neuronalen Netzwerks. Sein Design ist von biologischen Neuronen inspiriert, aber seine mathematische Form ist viel einfacher und für Berechnungen gut geeignet. Im Kern empfängt ein künstliches Neuron eine oder mehrere numerische Eingaben, multipliziert jede Eingabe mit einem entsprechenden Gewicht, summiert die Ergebnisse, addiert einen Bias-Term und leitet die Summe dann durch eine nicht lineare Aktivierungsfunktion. In diesem Teil der Serie werde ich die mathematischen Grundlagen dieses Prozesses untersuchen und zeigen, wie er sich direkt in Code umsetzen lässt.

Betrachten wir ein Neuron mit den Eingaben x₁, x₂, …, xₙ und den lernbaren Parametern w₁, w₂, …, wₙ (die Gewichte) und b (die Vorspannung). Das Neuron berechnet die Größe

z = w₁·x₁ + w₂·x₂ + … + wₙ·xₙ + b

Dieser Ausdruck kann auch in kompakter Vektor-Matrix-Notation geschrieben werden als

z = wᵀ·x + b

wobei w und x n-dimensionale Spaltenvektoren sind. Den Skalar z bezeichnet man oft als Voraktivierung, da das Neuron, bevor es seine endgültige Ausgabe erzeugen kann, z durch eine Aktivierungsfunktion σ leiten muss, was zu

a = σ(z)

führt.

Der Bias-Term b ermöglicht es, die Aktivierungsfunktion nach links oder rechts zu verschieben, sodass das Netzwerk Muster anpassen kann, die nicht durch den Ursprung verlaufen. Die Gewichte wᵢ bestimmen die Stärke und Richtung des Einflusses jeder Eingabe auf die Ausgabe. Während des Trainings passt das Netzwerk diese Parameter an, um eine bestimmte Verlustfunktion zu minimieren.

In der Praxis implementieren wir ein einzelnes Neuron in PyTorch wie folgt:


import torch

# Beispiel-Eingaben und Parameter definieren
x = torch.tensor([0.5, -1.2, 3.3], dtype=torch.float32)
w = torch.tensor([0.1, 0.4, -0.7], dtype=torch.float32)
b = torch.tensor(0.2, dtype=torch.float32)

# Berechne die gewichtete Summe z = w·x + b
z = torch.dot(w, x) + b

# Wende eine Aktivierungsfunktion an (vorerst die Identität)
a = z


Jede Zeile in diesem Ausschnitt hat eine klare Aufgabe. Die erste Zeile importiert PyTorch, eine Bibliothek, die Tensorberechnungen beschleunigt und Operationen für die Gradientenberechnung automatisch durchführt. Die nächsten drei Zeilen erstellen eindimensionale Tensoren für Eingaben, Gewichte und Bias. Durch die Angabe von dtype=torch.float32 stellen wir sicher, dass alle Berechnungen mit 32-Bit-Gleitkommaarithmetik erfolgen, was Präzision und Leistung auf moderner Hardware balanciert.

Der Ausdruck torch.dot(w, x) berechnet das Skalarprodukt der Tensoren w und x und führt die Summe der elementweisen Produkte (w₁·x₁ + w₂·x₂ + w₃·x₃) aus. Durch Hinzufügen von b übertragen wir die skalare Vorspannung auf das Ergebnis, wodurch wir den vollständigen Wert z vor der Aktivierung erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ausgabe des Neurons einfach z, aber sobald wir eine nicht lineare Aktivierungsfunktion σ einführen, ersetzen wir die Zeile a = z durch a = σ(z).

Im Hintergrund zeichnet PyTorch die Operationen auf diesen Tensoren in einem Berechnungsgraphen auf. Wenn wir später z.backward() aufrufen, durchläuft PyTorch diesen Graphen und berechnet automatisch die partiellen Ableitungen ∂z/∂wᵢ und ∂z/∂b. Diese automatische Differentiation ermöglicht es, Millionen von Parametern in großen Netzwerken ohne manuelle Ableitungsberechnungen zu optimieren.

Die mathematische Einfachheit einer einzelnen Nervenzelle täuscht über ihre Ausdruckskraft hinweg, sobald viele Nervenzellen zu Schichten und Netzwerken verbunden sind. Durch Anpassen ihrer Gewichte und Vorspannungen kann eine Nervenzelle lernen, lineare Kombinationen ihrer Eingaben zu erkennen. Wenn wir Dutzende oder Hunderte solcher Nervenzellen kombinieren und mit nicht linearen Aktivierungen verschachteln, kann das Netzwerk beliebig komplexe Funktionen approximieren.

Der nächste Teil der Serie zeigt, wie man viele künstliche Neuronen zu Schichten zusammenfügt, den Datenfluss zwischen ihnen definiert und den Vorwärtslauf eines kompletten Netzwerks in PyTorch implementiert.


(rme)



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