Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Künstliche Intelligenz (KI) hat in den vergangenen Jahren große Erfolge erzielt und ist immer stärker in den Fokus geraten. Insbesondere Methoden des Deep Learning (ein Teilgebiet der KI), in dem Tiefe Neuronale Netze (TNN) zum Einsatz kommen, haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, z.B. im autonomen Fahren oder der Mensch-Roboter-Interaktion. Die immense Datenabhängigkeit und Komplexität von TNN haben jedoch gravierende Schwachstellen offenbart. So reagieren TNN sensitiv auf bestimmte Einflussfaktoren der Umwelt (z.B. Helligkeits- oder Kontraständerungen in Bildern) und führen zu falschen Vorhersagen. Da KI (und insbesondere TNN) in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, kann solch ein Verhalten zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Folglich haben sich neue Forschungspotenziale entwickelt, die sich explizit der Absicherung von KI-Verfahren widmen. Ein wesentliches Problem bei vielen KI-Verfahren besteht darin, dass ihr Verhalten oder Vorhersagen auf Grund ihrer hohen Komplexität nicht erklärt bzw. nachvollzogen werden können. Solche KI-Modelle werden auch als Black-Box bezeichnet. Bestehende Arbeiten adressieren dieses Problem, in dem zur Laufzeit “bösartige” Eingabedaten identifiziert oder auf Basis von Ein- und Ausgaben potenziell falsche Vorhersagen erkannt werden. Arbeiten in diesem Bereich erlauben es zwar potenziell unsichere Zustände zu erkennen, machen allerdings keine Aussagen, inwiefern mit solchen Situationen umzugehen ist. Somit haben sich eine Reihe von Ansätzen auf Architektur- bzw. Systemebene etabliert, um mit KI-induzierten Unsicherheiten umzugehen (z.B. N-Version-Programming-Muster oder Simplex Architekturen). Darüber hinaus wächst die Anforderung an KI-basierte Systeme sich zur Laufzeit anzupassen, um mit sich verändernden Bedingungen der Umwelt umgehen zu können. Systeme mit solchen Fähigkeiten sind bekannt als Selbst-Adaptive Systeme. Software-Ingenieure stehen nun vor der Herausforderung, aus einer Menge von Architekturellen Sicherheitsmechanismen, den Ansatz zu identifizieren, der die nicht-funktionalen Anforderungen bestmöglich erfüllt. Jeder Ansatz hat jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualitätsattribute des Systems. Architekturelle Entwurfsentscheidungen gilt es so früh wie möglich (d.h. zur Entwurfszeit) aufzulösen, um nach der Implementierung des Systems Änderungen zu vermeiden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus müssen insbesondere sicherheitskritische Systeme den strengen (Qualitäts-) Anforderungen gerecht werden, die bereits auf Architektur-Ebene des Software-Systems adressiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit einem modellbasierten Ansatz, der Software-Ingenieure bei der Entwicklung von KI-basierten System unterstützt, um architekturelle Entwurfsentscheidungen (bzw. architekturellen Sicherheitsmechanismen) zum Umgang mit KI-induzierten Unsicherheiten zu bewerten. Insbesondere wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen auf Basis von etablierten modellbasierten Techniken erforscht. In einem weiteren Schritt wird die Erweiterbarkeit/Verallgemeinerbarkeit der Zuverlässigkeitsvorhersage für Selbst-Adaptive Systeme betrachtet. Der Kern beider Ansätze ist ein Umweltmodell zur Modellierung () von KI-spezifischen Unsicherheiten und () der operativen Umwelt des Selbst-Adaptiven Systems. Zuletzt wird eine Klassifikationsstruktur bzw. Taxonomie vorgestellt, welche, auf Basis von verschiedenen Dimensionen, KI-basierte Systeme in unterschiedliche Klassen einteilt. Jede Klasse ist mit einem bestimmten Grad an Verlässlichkeitszusicherungen assoziiert, die für das gegebene System gemacht werden können. Die Dissertation umfasst vier zentrale Beiträge. 1. Domänenunabhängige Modellierung von KI-spezifischen Umwelten: In diesem Beitrag wurde ein Metamodell zur Modellierung von KI-spezifischen Unsicherheiten und ihrer zeitlichen Ausdehnung entwickelt, welche die operative Umgebung eines selbstadaptiven Systems bilden. 2. Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen: Der vorgestellte Ansatz erweitert eine existierende Architekturbeschreibungssprache (genauer: Palladio Component Model) zur Modellierung von Komponenten-basierten Software-Architekturen sowie einem dazugehörigenWerkzeug zur Zuverlässigkeitsvorhersage (für klassische Software-Systeme). Das Problem der Black-Box-Eigenschaft einer KI-Komponente wird durch ein Sensitivitätsmodell adressiert, das, in Abhängigkeit zu verschiedenen Unsicherheitsfaktoren, die Prädektive Unsicherheit einer KI-Komponente modelliert. 3. Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen: Dieser Beitrag befasst sich mit einem Rahmenwerk für die Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen, welche für die Absicherung von KI-Komponenten vorgesehen sind. Die Arbeiten zu diesem Beitrag verallgemeinern/erweitern die Konzepte von Beitrag 2 für Selbst-Adaptive Systeme. 4. Klassen der Verlässlichkeitszusicherungen: Der Beitrag beschreibt eine Klassifikationsstruktur, die den Grad der Zusicherung (in Bezug auf bestimmte Systemeigenschaften) eines KI-basierten Systems bewertet. Der zweite Beitrag wurde im Rahmen einer Fallstudie aus dem Bereich des Autonomen Fahrens validiert. Es wurde geprüft, ob Plausibilitätseigenschaften bei der Zuverlässigkeitsvorhersage erhalten bleiben. Hierbei konnte nicht nur die Plausibilität des Ansatzes nachgewiesen werden, sondern auch die generelle Möglichkeit Entwurfsentscheidungen zur Entwurfszeit zu bewerten. Für die Validierung des dritten Beitrags wurden ebenfalls Plausibilitätseigenschaften geprüft (im Rahmen der eben genannten Fallstudie und einer Fallstudie aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion). Darüber hinaus wurden zwei weitere Community-Fallstudien betrachtet, bei denen (auf Basis von Simulatoren) Selbst-Adaptive Systeme bewertet und mit den Ergebnissen unseres Ansatzes verglichen wurden. In beiden Fällen konnte gezeigt werden, dass zum einen alle Plausibilitätseigenschaft erhalten werden und zum anderen, der Ansatz dieselben Ergebnisse erzeugt, wie die Domänen-spezifischen Simulatoren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass unser Ansatz Software-Ingenieure bzgl. der Bewertung von Entwurfsentscheidungen, die für die Entwicklung von Selbst-Adaptiven Systemen relevant sind, unterstützt. Der erste Beitrag wurde implizit mit Beitrag 2 und mit 3 validiert. Für den vierten Beitrag wurde die Klassifikationsstruktur auf bekannte und repräsentative KI-Systeme angewandt und diskutiert. Es konnte jedes KI-System in eine der Klassen eingeordnet werden, so dass die generelle Anwendbarkeit der Klassifikationsstruktur gezeigt wurde

Identifying and Mitigating the Security Risks of Generative AI

Every major technical invention resurfaces the dual-use dilemma -- the new technology has the potential to be used for good as well as for harm. Generative AI (GenAI) techniques, such as large language models (LLMs) and diffusion models, have shown remarkable capabilities (e.g., in-context learning, code-completion, and text-to-image generation and editing). However, GenAI can be used just as well by attackers to generate new attacks and increase the velocity and efficacy of existing attacks. This paper reports the findings of a workshop held at Google (co-organized by Stanford University and the University of Wisconsin-Madison) on the dual-use dilemma posed by GenAI. This paper is not meant to be comprehensive, but is rather an attempt to synthesize some of the interesting findings from the workshop. We discuss short-term and long-term goals for the community on this topic. We hope this paper provides both a launching point for a discussion on this important topic as well as interesting problems that the research community can work to address

Taming AI Bots: Controllability of Neural States in Large Language Models

We tackle the question of whether an agent can, by suitable choice of prompts, control an AI bot to any state. To that end, we first introduce a formal definition of ``meaning'' that is amenable to analysis. Then, we characterize ``meaningful data'' on which large language models (LLMs) are ostensibly trained, and ``well-trained LLMs'' through conditions that are largely met by today's LLMs. While a well-trained LLM constructs an embedding space of meanings that is Euclidean, meanings themselves do not form a vector (linear) subspace, but rather a quotient space within. We then characterize the subset of meanings that can be reached by the state of the LLMs for some input prompt, and show that a well-trained bot can reach any meaning albeit with small probability. We then introduce a stronger notion of controllability as {\em almost certain reachability}, and show that, when restricted to the space of meanings, an AI bot is controllable. We do so after introducing a functional characterization of attentive AI bots, and finally derive necessary and sufficient conditions for controllability. The fact that AI bots are controllable means that an adversary could steer them towards any state. However, the sampling process can be designed to counteract adverse actions and avoid reaching undesirable regions of state space before their boundary is crossed.Comment: TLDR: AI Bots are stochastic dynamical systems whose mental state can be controlled by both the user and the designer. The space of meanings, defined as equivalence classes of sentences, is learned during fine-tuning with human supervision, and safeguarding can be designed into the bot by establishing controls both at its input and outpu

Ethical Framework for Harnessing the Power of AI in Healthcare and Beyond

In the past decade, the deployment of deep learning (Artificial Intelligence (AI)) methods has become pervasive across a spectrum of real-world applications, often in safety-critical contexts. This comprehensive research article rigorously investigates the ethical dimensions intricately linked to the rapid evolution of AI technologies, with a particular focus on the healthcare domain. Delving deeply, it explores a multitude of facets including transparency, adept data management, human oversight, educational imperatives, and international collaboration within the realm of AI advancement. Central to this article is the proposition of a conscientious AI framework, meticulously crafted to accentuate values of transparency, equity, answerability, and a human-centric orientation. The second contribution of the article is the in-depth and thorough discussion of the limitations inherent to AI systems. It astutely identifies potential biases and the intricate challenges of navigating multifaceted contexts. Lastly, the article unequivocally accentuates the pressing need for globally standardized AI ethics principles and frameworks. Simultaneously, it aptly illustrates the adaptability of the ethical framework proposed herein, positioned skillfully to surmount emergent challenges

Verifiability as a Complement to AI Explainability: A Conceptual Proposal

Recent advances in the field of artificial intelligence (AI) are providing automated and in many cases improved decision-making. However, even very reliable AI systems can go terribly wrong without human users understanding the reason for it. Against this background, there are now widespread calls for models of “explainable AI”. In this paper we point out some inherent problems of this concept and argue that explainability alone is probably not the solution. We therefore propose another approach as a complement, which we call “verifiability”. In essence, it is about designing AI so that it makes available multiple verifiable predictions (given a ground truth) in addition to the one desired prediction that cannot be verified because the ground truth is missing. Such verifiable AI could help to further minimize serious mistakes despite a lack of explainability, help increase their trustworthiness and in turn improve societal acceptance of AI