近日，騰訊和阿里達(dá)摩院相繼發(fā)布了他們對(duì)于2023年科技趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。達(dá)摩院預(yù)測(cè)，生成式AI將進(jìn)入應(yīng)用爆發(fā)期；存算一體芯片將在垂直細(xì)分領(lǐng)域迎來(lái)規(guī)模化應(yīng)用，或?qū)?lái)計(jì)算架構(gòu)的變革，并對(duì)云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)積極影響。而在騰訊的預(yù)測(cè)中，他們認(rèn)為第一大趨勢(shì)是高性能計(jì)算邁向“CPU+GPU+QPU”時(shí)代；第二大趨勢(shì)為泛在操作系統(tǒng)，這一系統(tǒng)加速了人-機(jī)-物全面融合。
應(yīng)用需求的爆發(fā)驅(qū)動(dòng)人工智能技術(shù)與行業(yè)的融合、數(shù)字技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)等的融合、以及科技進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用雙輪驅(qū)動(dòng)的融合創(chuàng)新已成為不可逆轉(zhuǎn)的宏大趨勢(shì)。隨著 5G 和物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，智能終端設(shè)備不斷普及，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。《鏈接》一書(shū)中提及：“雖然互聯(lián)網(wǎng)是人制造系統(tǒng)，但從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，卻更像是一個(gè)生命系統(tǒng)”。IoT技術(shù)正在與AI技術(shù)發(fā)生深度融合。
人工智能是一種強(qiáng)大的模式識(shí)別技術(shù)，它旨在了解智能的本質(zhì)，并設(shè)計(jì)具備類(lèi)似人類(lèi)智能的智能機(jī)器。AI可以讓機(jī)器具有類(lèi)似人類(lèi)的大腦一樣的智慧，因?yàn)樗侨嗽斓模瑓^(qū)別于自然界的智能，所以叫它“人工智能”。
IoT，也就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是通過(guò)射頻、紅外、GPS等設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將任何物品聯(lián)網(wǎng)以進(jìn)行信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理。物聯(lián)網(wǎng)脫胎于互聯(lián)網(wǎng)，只不過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通常是手機(jī)、電腦、服務(wù)器之間所組成的網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)則將這個(gè)概念延拓到了所有物體。
如果說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于人身上遍布的周?chē)窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么AI則相當(dāng)于人的大腦。要達(dá)到類(lèi)似于人類(lèi)的智能，設(shè)備必然需要進(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算，這意味著大量的存儲(chǔ)空間、強(qiáng)大的計(jì)算能力、高速的數(shù)據(jù)交互，成本很高，往往只有部署在云端的大型服務(wù)器才能夠勝任這一工作。
智能邊緣：助力物聯(lián)實(shí)踐
相比于云端AI，由于不需要將數(shù)據(jù)上傳至云端，邊緣AI具備實(shí)時(shí)性好、帶寬資源要求低、隱私性高等特點(diǎn)，特別適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。和云端AI相同，邊緣AI也具備AI的共性特征。
邊緣AI技術(shù)是相對(duì)于云端AI技術(shù)而言的，因此又可以被稱(chēng)為終端AI技術(shù)，最早起源于20世紀(jì)90年代的邊緣計(jì)算。之所以被稱(chēng)為“邊緣AI”，是因?yàn)檫吘堿I技術(shù)在靠近用戶(hù)本地的終端網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行AI運(yùn)算，而不是將數(shù)據(jù)集中在云或數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，即設(shè)備可以在本地自行做出運(yùn)算與決策，不一定必須要連接到互聯(lián)網(wǎng)。
根據(jù)預(yù)測(cè)，2025年將有75%的數(shù)據(jù)產(chǎn)生在邊緣側(cè)進(jìn)行處理。因此邊緣AI可以在許多方面大顯身手。例如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，公路、鐵路或者是大壩塌方監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，邊緣AI可以得到很好的應(yīng)用。這些地方都普遍比較偏僻，通信網(wǎng)絡(luò)都不是很好，交通不是很方便，但快速?zèng)Q策和及時(shí)預(yù)警非常關(guān)鍵，如果一旦發(fā)生事故救援不及時(shí)的話(huà)會(huì)導(dǎo)致很大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此必須通過(guò)邊緣AI快速判定。傳統(tǒng)的云端監(jiān)測(cè)可能需要發(fā)送大量視頻或圖片上到云端，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的要求很高。而通過(guò)邊緣AI的自主智能識(shí)別，緊急情況發(fā)生時(shí)只需要設(shè)備發(fā)送的一條短信就可以快速實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，從而避免更嚴(yán)重的災(zāi)害發(fā)生。
邊緣AI作為在設(shè)備本地端執(zhí)行的AI，通常需要使用電池供電，因此需要在系統(tǒng)功耗、計(jì)算速度和設(shè)備成本之間取得一個(gè)比較好的平衡。在各行各業(yè)，虛擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互正在增強(qiáng)，ICT基礎(chǔ)架構(gòu)日漸普及，并且可以進(jìn)行自我管理。
ADI中國(guó)技術(shù)支持中心高級(jí)工程師辛毅分享說(shuō)：“針對(duì)邊緣技術(shù)，ADI也始終致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，從而實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的邊緣端執(zhí)行AI推理，比云計(jì)算的速度更快。”
ADI的邊緣AI微控制器
通常，邊緣AI可以由通用的微控制器芯片完成，也可以由FPGA、GPU、DSP等專(zhuān)門(mén)的芯片完成。微控制器（Microcontroller Unit）可以在單顆芯片上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的功能，業(yè)界俗稱(chēng)為“單片機(jī)”。微控制器可以說(shuō)在整個(gè)電子系統(tǒng)里起到至關(guān)重要的作用，它可以按照一定的程序?qū)ο到y(tǒng)其它部件起到控制的作用，也可以收集外界或者內(nèi)部的一些數(shù)據(jù)作出處理、計(jì)算和決策，是電子系統(tǒng)當(dāng)之無(wú)愧的“大腦”。
雖然ADI公司以其出色卓越高精度的信號(hào)鏈和電源產(chǎn)品聞名于世，但是公司在微控制器領(lǐng)域的投入也已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了。從1995年至今，公司MCU產(chǎn)品的出貨量已經(jīng)超過(guò)了10億片。從2002年之前的8051系列的MCU，到2004年以來(lái)的MAXQ系列的MCU，再到2012年之后的ARM內(nèi)核系列的MCU，ADI不同類(lèi)型不同特色的MCU給客戶(hù)留下了深刻的印象。
從2020年至今，ADI在傳統(tǒng)MCU的技術(shù)上開(kāi)拓創(chuàng)新了嶄新的邊緣AI MCU，從而可以在電池供電設(shè)備中輕松實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)人工智能，成為ADI微控制器系列上的一個(gè)很大的劃時(shí)代的里程碑。
辛毅介紹說(shuō)：“MAX7800X系列就是ADI非常經(jīng)典且成功的邊緣AI解決方案。”
MAX7800X系列微控制器
據(jù)介紹，MAX7800X這個(gè)系列產(chǎn)品具備特殊的架構(gòu)，由兩個(gè)微控制器內(nèi)核（ARM Cortex M4F和RISC-V）加上一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）加速器構(gòu)成。這一架構(gòu)針對(duì)邊緣進(jìn)行了高度優(yōu)化，數(shù)據(jù)的加載和啟動(dòng)由微控制器內(nèi)核負(fù)責(zé)，而AI推理由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)。此外，微控制器內(nèi)核負(fù)責(zé)完成加載和啟動(dòng)之后就不需要任何操作了，因此功耗也是很低的，只要使用電池就可以給整個(gè)系統(tǒng)供電。借助于這種兩個(gè)硬件的分工合作，MAX7800X系列一不需要聯(lián)網(wǎng)，二支持電池供電，其完美地滿(mǎn)足了邊緣AI的要求，是AIoT應(yīng)用的理想產(chǎn)品。
那么相較于FPGA、GPU、DSP等專(zhuān)門(mén)芯片，MAX7800X的優(yōu)點(diǎn)在哪里呢？正是由于獨(dú)特的架構(gòu)和完美的分工，與運(yùn)行在低功耗微控制器上的純軟件解決方案相比，ADI的MAX7800X方案具備更高的數(shù)據(jù)吞吐量，速度提高了100倍，但是成本僅僅是FPGA或GPU解決方案的零頭。相比于微控制器加上DSP的方案，ADI方案的功耗不足該方案的百分之一。
辛毅自豪的說(shuō)：“ADI方案可以在功耗、速度、成本三個(gè)方面達(dá)成最優(yōu)的平衡，加上其小尺寸的優(yōu)勢(shì)，是邊緣AI應(yīng)用的理想產(chǎn)品。”
據(jù)介紹，目前ADI的邊緣AI解決方案MA7800X系列主要有兩款人工智能MCU：MAX78000和MAX78002。
二者都是基于Arm Cortex-M4F和RISC-V的低功耗微處理器，搭載專(zhuān)用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器執(zhí)行AI推理。兩個(gè)內(nèi)核也有個(gè)不同的分工，其中Cortex-M4F負(fù)責(zé)應(yīng)用和通信，內(nèi)部集成Flash、SRAM。
RISC-V則是一顆小內(nèi)核，32位精簡(jiǎn)指令集，主要配合CNN工作，將輸入的數(shù)據(jù)傳輸至存儲(chǔ)空間再交給CNN來(lái)處理。
MAX78000可支持多達(dá)3.5M的模型權(quán)重，MAX78002則支持多達(dá)16M的模型權(quán)重。MAX78002和MAX78000相比，不僅可以做到圖像的識(shí)別，還可以進(jìn)行復(fù)雜的視頻分析。MAX78002有更高頻率的微控制器內(nèi)核、更大存儲(chǔ)空間、更快的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，模型維度達(dá)到MAX78000的4倍，更支持視頻處理，可以說(shuō)是MAX78000的升級(jí)版。
在最后的總結(jié)分享中，辛毅表示：“ADI的邊緣AI解決方案具備速度快、無(wú)需外部存儲(chǔ)、時(shí)鐘控制靈活和超低功耗等四大特色，因此對(duì)于需要使用電池供電、需要及時(shí)決策的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)特別合適。”
結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，隨著消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)應(yīng)用向高端發(fā)展，用戶(hù)往往會(huì)傾向于將更多的微控制器整合到系統(tǒng)當(dāng)中。這些微控制器包括負(fù)責(zé)應(yīng)用邏輯與控制的MCU、負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)集中的MCU、以及負(fù)責(zé)藍(lán)牙連接的MCU等。同時(shí)，系統(tǒng)還需要具備獨(dú)立的電源管理芯片為這些MCU供電。但是，由于應(yīng)用的復(fù)雜度越來(lái)越高、產(chǎn)品尺寸越來(lái)越小、續(xù)航要求越來(lái)越長(zhǎng)，傳統(tǒng)的多芯片方案往往難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
ADI的微控制器產(chǎn)品除了作為通用的基本微控制器所有的功能，在許多特色領(lǐng)域上也有著出色的性能。此外，ADI還具備30余年的MCU的IP保護(hù)和信任根研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從而極大增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，幫助安全敏感型的設(shè)備制造商快速、高效地為其產(chǎn)品增加安全加密、密鑰存儲(chǔ)和防篡改功能。簡(jiǎn)而言之，ADI的MCU產(chǎn)品具備功耗低、接口優(yōu)、通訊新、評(píng)估全、開(kāi)發(fā)易、安全強(qiáng)等六大特色。
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