解析人工智能：推理

作者：贸泽电子 Mark Patrick

我们之前讨论过，训练过程是机器学习的第一阶段，而推理则紧随其后，为机器学习的第二阶段。在训练阶段，算法会生成新模型或把预训练模型重新调整用于特定应用，并帮助模型学习其参数。在推理阶段，会根据学习得到的参数对新数据进行预估和决策。

学习需要大量的时间、计算能力和电力，相反，推理阶段需要较少的处理能力，并且也消耗较少的功率。但是，正如之前部分“解析人工智能：训练”所述，对于物联网设备，中央云中的传统计算方式可能会占用大量资源。处在网络边缘的每个物联网节点都收集大量数据，从而使边缘到云端（以及相反从云端到边缘）的数据传输既昂贵又缓慢。“边缘计算”可以直接执行大多数计算，并且仅在完全必要时才将相关信息传输回云端（反之亦然），从而无需依靠基于云的服务器来进行所有处理。虽然在网络边缘进行计算可以减少数据传输成本和时间，但该模型也具有某些缺点。例如，网络边缘的物联网设备需要大量的处理能力来满足学习和推理需求，这与物联网设备要求的高能效原则背道而驰。这正是AI边缘计算加速器能够解决的问题。

AI加速器

基于软件和硬件的AI加速器都可加快机器学习。硬件加速可以针对训练、推理或两者兼有。在某些情况下，硬件加速器可以降低功耗。而在其他情况下，硬件加速器可以提高处理能力。目前有几种主要类型的芯片或处理器可用于硬件加速，这些包括中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）、片上系统（SoC）、专用集成电路（ASIC）、视觉处理器（VPC）和神经形态（neuromorphic）集成电路。除了硬件加速器之外，市场上的解决方案还包括基于软件的方式，例如机器学习框架可用于改善AI软件开发和优化系统性能。

CPU和GPU

CPU是AI传统上使用的硬件加速器。尽管CPU一般被设计为通用型器件，但它们通常不足以支持模型生成和推理所需的大量计算。因此，包括ARM（通过DynamIQ产品）和三星（通过Exynos 9系列）等公司已经开始创建AI专用芯片。在ARM和三星等公司选择继续使用AI专用CPU的同时，其他公司则正在转向GPU。

GPU起源于视频游戏行业，专为处理海量数据集而构建，非常适合用于机器学习。由于GPU具有比CPU更多的单片处理单元和更高的吞吐量，以及更高的并行处理能力，因此能够显著减少计算时间。此外，GPU的单个处理单元比CPU所使用的多个单元更加小巧，从而使GPU更适合于需要小巧和灵活解决方案的空间受限物联网设备。可提供AI专用GPU的公司包括AMD（Radeon Instinct）、NEC（SX-Aurora）、NVIDIA（DGX）和高通（Adreno）等。

FPGA

尽管CPU和GPU拥有相当大的处理能力，并且对于加速学习和推理非常有效，但它们却需要花费大量时间和能量在内存和处理之间传输数据。由于CPU和GPU的电路密度相当高，因此经常会由于过热而导致系统故障。对于位于远端的物联网设备，高能耗和潜在系统故障是难以接受的缺点，需要找到一种方法可以将某些任务转移到更节能的硬件上，这一点非常必要。

基于可编程逻辑的FPGA 是一种能够在生产后由客户或设计人员现场重新配置的一种器件。虽然 FPGA 通常不如 CPU 或 GPU 强大，但通过芯片自身内部计算而不是数据传输，能够为某些计算（如乘法、加法、集分、微分和指数等）提供快速处理。尽管FPGA提供了更大的灵活性，但它往往相当笨重，因此要实现物联网设备的小型化是此类芯片的一大挑战。能够提供面向AI应用芯片的主要公司包括NVIDIA（TensorRT）和Xilinx。此外，微软也正在使用FPGA芯片来加速推理，英特尔目前正在扩展其FPGA产品组合。 

SoC

SoC包含有多个电子器件的组合（微处理器、微控制器、数字信号处理器、片上存储器、硬件加速器等）。由于多个组件集成到单一半导体基底，SoC比微控制器芯片功能更加强大。在智能手机中，SoC可以集成视频、音频和图像处理功能。ARM已经开发了机器学习处理器和对象检测处理器，这些处理器能够在未来集成到SoC中。隶属华为集团的海思（HiSilicon）半导体部已经得到ARM的IP授权，以创建最初用于手机和平板电脑的SoC。此外，HiSilicon正在为华为制造昇腾芯片（Ascend）。SoC领域的另一大厂商是Arteris，该公司正在开发一种片上网络互连交换矩阵技术（FlexNoC），许多移动和无线公司都在使用该技术。由于Arteris在知识产权方面占据主导地位，因此对该市场有更宏观的掌握。可能很快会有其他公司在AI SoC市场发挥重要作用，这些包括英特尔（通过其Movidius子公司）、恩智浦、瑞萨、东芝、德州仪器和意法半导体等。

ASIC、VPU和神经形态芯片

ASIC 专为加速深度学习算法中的训练而构建，包括 Google 的Edge TPU和英特尔的 Nervana都是此类ASIC芯片。视觉处理单元（VPU）旨在加速机器视觉任务，并运行卷积神经网络（CNN）等机器视觉算法，因此 VPU 视频处理功能不同于 GPU，GPU不提供相同类型的专用任务处理。英特尔的Movidius Myriad芯片、Google的Pixel视觉内核、微软的HoloLens、Inuitive的NU系列和Mobileye的EyeQ等都是一些视觉处理单元例证。

无论是数字芯片还是模拟芯片都各有不足：数字电路精准，但耗能巨大，而模拟电路则具有低延迟和低能耗，但精度不够。因此，研究人员正在寻找一些新方法，结合数字和模拟芯片的技术优势，同时回避两者的弱点。受人脑的启发，神经形态芯片的设计在本质上采用数字架构，但采用模拟电路进行混合信号处理。IBM 的 TrueNorth 是一个神经形态处理器，面向传感器数据模式识别和智能等应用。此外，哥伦比亚大学、斯坦福大学的"硅片中的大脑（Brains in Silicon）"项目以及DARPA支持的密歇根大学IC实验室都在从各个方面研究神经形态系统的实现。

机器学习框架

AI 加速器还包括软件。例如，机器学习框架可以是接口、程序库或工具，有助于降低与机器学习相关的复杂性，以便开发人员能够更快、更轻松地构建模型并优化性能。此类框架采用如Python 或 Java等特定语言构建，一些深受市场欢迎的开源机器学习框架来自亚马逊（AWS）、Apache、Caffe2、Keras、Theano、微软（Azure）和Google（TensorFlow）等厂商。此外，一些公司还提供内部平台。例如，英特尔的 OpenVINO 工具包是一个软件和硬件加速器，可优化CNN模型的推理。另外，高通的Snapdragon是一个移动平台和软件加速器，IBM则有Watson机器学习加速器平台，而华为最近推出了MindSpore AI框架。

AI 起步

贸泽电子（Mouser）现在可提供各种硬件，能够帮助客户构建实现AI的初始模块。英特尔的即插即用Neural Compute Stick 2  可以帮助工程师尽早实现对深度神经网络进行原型设计，它采用公司自身的 Movidius X VPU 提供极具吸引力的能效和性能组合，能够达到4TOPS。高度紧凑的AAEON UP AI 核心处理模块基于小型 PCI Express格式，主要面向工业计算。它还配备了英特尔Movidius VPU，其中采用 Myriad 2 2450，具有 512Mb DDR 内存，以及 12 个VUW 可编程SHAVE内核和专用视觉加速器。Gumstix的 Aerocore 2 板 采用阵列式NVIDIA Jetson TX1和TX2 CUDA内核，使其具有强大的并行处理能力，还包括ARM Cortex-M4微控制器和众多外设，特别适用于物体识别、生产线检测等多种机器视觉应用。

展望未来

目前NVIDIA在工业AI应用中仍然占据主导地位，大多数新加入厂商都专注于IoT AI领域。GreenWave 和Reduced Energy Microsystems处于低功耗芯片领域，而 Mythic 和Syntiant正在开发基于电池供电的处理器。与上述情况类似，Wiliot正在制造一种蓝牙芯片，可由周围环境中的无线电辐射供电。在巨大的并行数据处理市场，有Vathys、Graphcore、Cerebras和Wave Computing等厂商。与此同时，Hailo Technologies 和Horizon Robotics等公司正在开发用于自动驾驶汽车的专用芯片。在深度学习领域，BrainChip已经成功开发出第一个尖峰式（spiking）神经处理器，Thinci推出了流式图形处理器，Gyrfalcon 正在开发一种具备专有AI处理内存（APiM）技术的深度学习处理器。最后，在Groq，曾经设计Google TPU的前Google公司设计师正在开发一种超低延迟芯片。随着在机器学习领域取得惊人的进展，物联网边缘计算仍存在许多技术挑战，软件和硬件开发人员都在不断努力，以便在卓越的处理性能和更高的能效等方面实现最佳的平衡。