當(dāng)我們考慮機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，首先能夠想到的是，通過(guò)服務(wù)器集群搭建的大數(shù)據(jù)中心和云平臺(tái)，對(duì)于很多機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用來(lái)講，這是一個(gè)存在了很多年的標(biāo)準(zhǔn)搭建方式。但近些年來(lái)，隨著硬件能力的不斷提升、物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的出現(xiàn)以及成本的下降，大量的應(yīng)用場(chǎng)景從云端轉(zhuǎn)移到了邊緣。在這樣的模式轉(zhuǎn)換中，隨著智能化越來(lái)越接近事件發(fā)生地而遠(yuǎn)離云端，節(jié)點(diǎn)設(shè)備會(huì)變得更加自主化。這些變化導(dǎo)致了很多有趣的應(yīng)用產(chǎn)生，例如無(wú)人機(jī)、ADAS輔助駕駛以及可移動(dòng)的智能機(jī)器人，而且這僅僅是個(gè)開(kāi)始。

在本文中，我們將在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，綜合闡述如何考慮在邊緣部署人工智能。通常，一個(gè)比較典型的思路，可以歸納為對(duì)于任務(wù)的理解、算法的選擇，以及對(duì)于推理模型的訓(xùn)練和部署。

目標(biāo)：?jiǎn)栴}定義

架構(gòu)：選擇正確的工具

應(yīng)用的需求和限制是驅(qū)動(dòng)帶有人工智能算法的最終產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的因素。這些需求和限制，與魯棒性、推理時(shí)間、硬件資源以及服務(wù)質(zhì)量相關(guān)，這對(duì)于考慮邊緣方案的部署以及嵌入式平臺(tái)的選型至關(guān)重要。魯棒性代表了模型輸出的精確度，以及防止運(yùn)算結(jié)果過(guò)度擬合的能力。一般來(lái)講，模型越復(fù)雜（深度和層級(jí)），數(shù)據(jù)集越豐富，魯棒性越好。

推理時(shí)間的需求完全取決于應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于有些場(chǎng)景，例如自動(dòng)駕駛，考慮到功能安全因素，需要機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)別，但對(duì)于測(cè)量值變化緩慢的傳感器融合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需求就沒(méi)有這樣苛刻。推理的速度取決于模型的復(fù)雜度，模型的層級(jí)越多，需要的計(jì)算就越多，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的推理時(shí)間。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)選擇算力資源更為豐富的方案來(lái)規(guī)避，例如嵌入式GPU、DSP，以及帶有OpenCL內(nèi)核的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。

模型的內(nèi)存占用是隨著神經(jīng)元數(shù)量以及權(quán)重的增加而增加的，每個(gè)權(quán)重都需要作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。為了減小模型占用的內(nèi)存，以及解決一些硬件細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以將權(quán)重從浮點(diǎn)數(shù)或雙精度數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。服務(wù)的質(zhì)量以及系統(tǒng)的可靠性取決于模型的部署。在云端為基礎(chǔ)的方案里，連接的需求使得系統(tǒng)的可靠性存在疑問(wèn)，一旦服務(wù)器無(wú)法可靠連接，服務(wù)就無(wú)法獲取，決策也就無(wú)法正常處理。在這種情況下，邊緣部署就成了唯一可行的方案，例如自動(dòng)駕駛汽車(chē)以及需要隔離的環(huán)境。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，本質(zhì)上是概率系統(tǒng)，其輸出具有一定的不確定性，理解這一點(diǎn)很重要，但在許多情況下，AI系統(tǒng)所做出的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度和可靠度，早已超過(guò)人類(lèi)的判斷。至于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否需要90%乃至99%的概率，是由應(yīng)用需求決定的。

最后，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)解決方案的開(kāi)發(fā)難度以及可擴(kuò)展性的需要，來(lái)考慮采用何種硬件和軟件。舉例來(lái)說(shuō)，在NVIDA Jetson這個(gè)AI應(yīng)用嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行模型，軟件可以無(wú)縫運(yùn)行，從而大大降低軟件開(kāi)發(fā)成本。

數(shù)據(jù) & 訓(xùn)練：獲取正確的結(jié)果

訓(xùn)練模型有很多種方法，簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)以及增強(qiáng)學(xué)習(xí)。對(duì)于監(jiān)督學(xué)習(xí)，首先數(shù)據(jù)集會(huì)被標(biāo)注，就圖像分類(lèi)而言，圖像和標(biāo)簽是成對(duì)出現(xiàn)的。圖像通過(guò)模型的各層向前傳播，每層增加一點(diǎn)抽象，最終得到分類(lèi)值;輸出的分類(lèi)值與標(biāo)簽進(jìn)行比較，得到的誤差反向傳播到模型初始以更新權(quán)重。而對(duì)于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)集不會(huì)被標(biāo)注，模型會(huì)開(kāi)啟自我尋找模式。對(duì)于增強(qiáng)學(xué)習(xí)，電子游戲是個(gè)最好的應(yīng)用用例，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的目標(biāo)是在與環(huán)境的交互過(guò)程中，通過(guò)一系列的后續(xù)行為，對(duì)環(huán)境的反饋?zhàn)鞒鲰憫?yīng)，達(dá)成回報(bào)最大化，例如執(zhí)行一系列從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方的連續(xù)控制決策。

部署和推理：尚未解決的挑戰(zhàn)

大多數(shù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在大型的GPU 上完成訓(xùn)練。當(dāng)模型被用來(lái)進(jìn)行推理時(shí)，例如通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向傳播，以獲得對(duì)單個(gè)樣本的預(yù)測(cè)或者分類(lèi)，可以使用的平臺(tái)有很多種。我們可以將用于推理的模型部署在微控制器為Cortex M、Cortex A的設(shè)備上，這些微控制器帶有GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器、FPGA 或者專(zhuān)有ASIC，硬件的選型取決于應(yīng)用的需要，而它們的區(qū)別在于運(yùn)算能力、功耗以及成本。選擇方案時(shí)，最棘手的一點(diǎn)在于如何有效且簡(jiǎn)易地部署模型。一般來(lái)說(shuō)，模型訓(xùn)練通常會(huì)在諸如Tensor Flow或者Caffe這樣的深度學(xué)習(xí)框架下完成，這些訓(xùn)練好的模型必須轉(zhuǎn)變成在邊緣設(shè)備的推理引擎上能夠運(yùn)行的格式。舉例來(lái)說(shuō)，使用開(kāi)放式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換格式（ONNX），或者是在Cortex M 上使用的ARM CMSISNN文件格式。除此之外，模型還需要根據(jù)邊緣設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，可以通過(guò)剪枝（刪除接近零的值）、量化（從float32移動(dòng)到integer）或壓縮來(lái)優(yōu)化權(quán)重。

模型在邊緣設(shè)備上的部署和運(yùn)行，最終還是需要通過(guò)推理引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)，這取決于設(shè)備供應(yīng)商為OpenCV或者OpenCL等框架支撐所提供的目標(biāo)處理器以及組件。令人遺憾的是，這個(gè)市場(chǎng)目前碎片化很?chē)?yán)重，我們可以看到很多不同版本的SDK 以及工具，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)如何在邊緣節(jié)點(diǎn)上部署和推理。因此，業(yè)界對(duì)于類(lèi)似于ONNX這樣的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)更感興趣，期待標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步演進(jìn)。

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