物聯(lián)網(wǎng)端點位于嵌入式視覺的前沿。而且，與其他前沿領(lǐng)域一樣，也存在挑戰(zhàn)，尤其是功率效率。

機器視覺已經(jīng)迅速在世界上找到了自己的位置。可以看到橙子并從樹上摘下橙子。 凝視檢測針對危險的無意識駕駛員。在工廠車間周圍移動的工業(yè)機器人依靠它來進行安全的障礙物檢測。

物聯(lián)網(wǎng)端點位于嵌入式視覺的前沿。而且，與其他前沿領(lǐng)域一樣，也存在挑戰(zhàn)，尤其是功率效率。可以在不超過節(jié)點功率容量的情況下進行極端邊緣的推理嗎？

這個問題值得考慮。這是因為在邊緣進行推理可以避免將數(shù)據(jù)（只有其中一些是可操作的）不加選擇地傳輸?shù)皆贫诉M行分析。這降低了存儲成本。此外，云訪問會損害延遲并抑制實時能力。旅行數(shù)據(jù)是易受攻擊的數(shù)據(jù)，因此更可取端點處理。這也有利于降低支付給網(wǎng)絡(luò)運營商的成本。

SoC 架構(gòu)的新方法

然而，對于所有這些好處，存在一個主要的絆腳石。使用傳統(tǒng)微控制器的設(shè)備的功耗限制在極端情況下阻礙了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。

傳統(tǒng)的微控制器 （MCU） 性能無法滿足周期密集型操作。方法喚醒解決方案可能依賴機器視覺進行對象分類，而這又需要卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （CNN） 來執(zhí)行矩陣乘法運算，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)百萬乘法累加 （MAC） 計算（圖 1）。

圖 1. 迄今為止，微控制器無法高效處理大容量乘法累加 （MAC） 的問題一直是一個絆腳石。

MCU 存在各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是，這些解決方案未能成為生產(chǎn)就緒型解決方案，因為所需的性能無法超越功率障礙。

克服電源性能困境是為什么采用全新方法處理處理器角色和 SoC 架構(gòu)的解決方案是有意義的。采用這種新方法需要了解物聯(lián)網(wǎng)端點需要處理三個工作負(fù)載才能成功進行推理。一種是程序性的，一種是用于數(shù)字信號處理的，一種是執(zhí)行大量 MAC 操作的。解決每個工作負(fù)載獨特需求的一種方法是在 SoC 中結(jié)合用于信號處理和機器學(xué)習(xí)的雙 MAC 16 位 DSP 和用于程序負(fù)載的 Arm Cortex-M CPU。

這種混合多核架構(gòu)利用了 DSP 雙內(nèi)存庫、零循環(huán)開銷和復(fù)雜的地址生成。使用它可以處理任何工作負(fù)載組合：例如，網(wǎng)絡(luò)堆棧、RTOS、數(shù)字濾波器、時頻轉(zhuǎn)換、RNN、CNN 和傳統(tǒng)的人工智能類搜索、決策樹和線性回歸。圖 2 顯示了當(dāng) DSP 架構(gòu)優(yōu)勢發(fā)揮作用時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算性能如何提高 2 倍甚至 3 倍。

圖 2. 矩陣乘法 （NxN） 基準(zhǔn)。

僅僅改變架構(gòu)是不夠的

無論是嵌入式視覺系統(tǒng)還是其他依賴顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效率的系統(tǒng)，實現(xiàn)混合多核架構(gòu)都很重要。然而，當(dāng)目標(biāo)是將功耗降低到 mW 范圍時，還需要做更多的工作。認(rèn)識到這一需求，Eta Compute 獲得了連續(xù)電壓和頻率縮放 （CVFS） 專利。

CVFS 克服了動態(tài)電壓頻率縮放或 DVFS 遇到的問題。DVFS 確實利用了降低功率的選項，即降低電壓。缺點是執(zhí)行此選項時最大頻率會降低。這個問題將 DVFS 的有效性限制在一個狹窄的范圍內(nèi)——一個由嚴(yán)格限制數(shù)量的預(yù)定義離散電壓電平定義，并限制在幾百 mV 的電壓范圍內(nèi)。

相比之下，為了在最有效的電壓下實現(xiàn)一致的 SoC 操作，CVFS 使用自定時邏輯。有了自定時邏輯，每個設(shè)備都可以連續(xù)自動調(diào)整電壓和頻率。CVFS 比 DVFS 更有效，也比亞閾值設(shè)計更容易實施，CVFS 在另一個重要方面也與這些不同。關(guān)鍵區(qū)別在于，上面提到的混合多核架構(gòu)使 CVFS 已經(jīng)在做的好事成倍增加。

極端邊緣的生產(chǎn)級

處于極端邊緣的端點，例如用于人員檢測的端點，有特定的需求。盡管任何人都可以將已發(fā)布的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于這些物聯(lián)網(wǎng)端點，但它們并沒有優(yōu)先滿足這些需求。使用領(lǐng)先的設(shè)計技術(shù)優(yōu)化這些網(wǎng)絡(luò)可以解決這個問題。

除了使用先進的設(shè)計方法之外，我們在 Eta Compute 采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法集中在我們的生產(chǎn)級神經(jīng)傳感器處理器 ECM3532（圖 3）上。它融合了混合多核架構(gòu)和 CVFS 技術(shù)的所有優(yōu)點。

圖 3. Eta Compute ECM3532 神經(jīng)傳感器處理器的混合多核架構(gòu)，其中將 Arm Cortex-M3 處理器、NXP CoolFlux DSP、512KB 閃存、352KB SRAM 和支持外設(shè)集成在 SoC 中，使推理達(dá)到極致在可實現(xiàn)的 mW 范圍內(nèi)的邊緣。

獲得的知識

諸如圖 4 所示結(jié)果的測試表明，為了將深度學(xué)習(xí)引入嵌入式視覺系統(tǒng)，電力成本不必上升到不可接受的水平。雖然沒有一根魔杖可以為耗電的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供支持，但一種將 MCU 電源效率和 DSP 優(yōu)勢與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相結(jié)合的方法可以幫助應(yīng)用程序避免僅依賴云計算導(dǎo)致的安全性、延遲和低效率問題。

圖 4. 在人員檢測模型的測試中，包括攝像頭在內(nèi)的平均系統(tǒng)功率達(dá)到了 5.6mW。對于該測試，速率為每秒1.3次推理，但進一步細(xì)化優(yōu)化應(yīng)將平均系統(tǒng)功率進一步降低至 4mW，同時將速率提高到每秒 2 次推理。

審核編輯：郭婷