AI晶元，將引發「智聯網」大變革
【原創聲明】
作者：曾勇
來源：物聯江湖（iot521）
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物聯網被認為是繼計算機、互聯網之後世界信息產業發展的第三次浪潮，未來5-10年會對人類生產、生活產生深遠影響，隨著AI的蓬勃發展，IoT開始邁入AI+IoT智聯網時期。
智聯網（AIoT）概念明確提出是在2017 年2 月，《人工智慧晶元助陣，物聯網將進化為AI+IoT》一文提到,「受過訓練的AI系統，目前在特定領域的表現已可超越人類，而相關軟體技術迅速發展的背後，與專用晶元的進步息息相關。在晶元對人工智慧的支持更加完善後，物聯網(IoT)將可望進化成AIoT(AI+IoT)。智能機器人的遍地開花只是個開端，人工智慧終端晶元引領的邊緣運算，其所將帶來的商機更讓人引頸期盼」。
具體來說，AIOT是指融合AI技術和IoT技術，通過物聯網產生、收集海量的數據存儲於雲端、邊緣端，再通過大數據分析，以及更高形式的人工智慧，形成智能化的應用場景和應用模式，服務實體經濟，為人類的生產活動，生活所需提供更好的服務，實現萬物數據化、萬物互聯化。
AIoT是AI與IoT融會發展的產物。IoT通過各種設備（比如感測器、RFID、 WIFI、LPWA、使能平台、連接平台等）將現實世界的物體「萬物互聯」，以實現信息的傳遞和處理。
對於AI而言，物聯網肩負了一個至關重要的任務：內外部環境信息獲取後，產生海量的數據，上傳至雲端或者邊緣節點，為感知、雲計算、控制、認知提供源源不斷的信息供給。
AI構建了一個大腦，憑藉其演算法與行業規則引擎，形成「邏輯」、「想法」、「指令」、「調優」能力；AI 演算法的「智能」只能通過不斷分析、數據驗證、調參、改進演算法模型才會變得「聰明」。
IoT則相當於大腦之外的神經網路，既能搜集數據，也能傳遞反饋信息，IoT一旦內嵌AI，IoT由連接變成分析、邏輯、推理與智能，懂得外在環境和應用場景的交互，具備自感知、自改進，從而自動高效應用到產業，進而提升生產效能，豐富用戶體驗。
影響和滲透是雙向的，藉助IoT，AI不再是科研和實驗技術，AI+IoT可以滲透若干場景，落地到現實生活，藉助來源豐富的數據不斷更新提升AI演算法效能，讓AI更具生命力和活力。
可以說AI與IOT兩者形成一種奇妙的化學反應，創造出更多科技創新應用，簡單的IoT「互聯」上升到AIoT「智聯」程度,在可預見的未來，AIOT必將改變現有物聯網發展格局，顛覆既有市場形態、產品形式，服務模式，開啟全新的社會生產生活，形成經濟發展新動能，推動新經濟發展，進一步改善生活體驗。
經歷IoT與AI的蓬勃發展，2018年之後的AIoT趨勢將更加快速的到來。比如在2018CES展上，出盡風頭的日產汽車研發的「腦控車（Brain-to-Vehicle，簡稱B2V）」技術，將駕駛者的反應更加快速地傳達給車輛，使車輛根據駕駛情況的變化不斷做出相應的調整。
Google的智能語音助理Google Assistant整合進來4億台物聯設備，不僅控制各類智能家居設備，比如插座、電風扇、電燈、時鐘收音機等，還將內置Google車載系統 Android Auto，開啟智能操控新時代等等。
AIoT賦能未來生活將無處不在。
AI突破性發展需要技術基礎，也就是三駕馬車，分別是演算法(Algorithms)、大數據(Big Data)、運算能力(Compute Power)。近年來，AI的三駕馬車已經取得長足發展。
1.演算法(Algorithms)變革與突破
從過去的神經網路開始，一直到近年的深度學習(Deep Learning)，尤其是多層神經網路技術飛速發展，演算法進步讓看似不可能的運算帶入認知、擬人的學習推理領域。
早在2015年，微軟ResNet系統採用152層的神經網路架構，讓計算機對影像進行辨識並對物體開展檢測，錯誤率降低到3.5%，正式超越人類的5.1%水平；吳恩達先後在谷歌x實驗室採用了參數多達17億個的神經網路，在斯坦福大學做了更大的神經網路，採用參數多達112億個神經網路。
人工神經元正在步步逼近人腦神經元,多層架構深度神經網路演算法引起一陣風潮，複雜AI的演算法正在邁入超越人類認知水平的時代。
2.大數據(Big Data)資料庫領域
巨量數據/大數據(Big Data)伴隨光纖、移動寬頻網路普及、電商、物聯網發展快速聚集，預計2020年全球數據量將超過40ZB，相對2010年增長到40倍，1ZB數據意味著福斯電視(FoxTV)熱門影集《24》連續播放1.25億年，可見數據爆炸超出想像;人們對數據結構化的技術推陳出新，如NoSQL MongoDB等;通過良好的數據分類與標註，搭配搜索引擎與演算法，讓數據平台快速找到海量數據背後的隱藏的規律信息。
3.運算能力(Compute Power)
2012年微軟人工智慧平台辨識單個貓需要16000顆傳統CPU的運算能力才能達成，但類似的工作，2016年採用繪圖晶元GPU大概只需要2顆。
就一個複雜棋局而言，AlphaGO第一代下一盤棋需要1920 CPUs 和280 GPUs，同時有64個搜索線程；Alpha 第二代需要50個TPU（1個TPU算力大致相對於10個同級別GPU）；隨著AI算力的大幅提升，算力仍然是AI的最大成本，據統計，算力成本（包括底層的硬體，GPU/CPU/FPGA以及其他信號處理等半導體成本、能耗成本）佔AI成本在70%左右，AlphaGo下一盤棋，其背後的伺服器的總耗電量折算成電費是3000美元; 計算的時大量耗熱，通過吹風才能散熱。演算法、資料庫基本可以實現平台化、軟體化、工具化，邊際成本趨向為O,決定AI普及的核心是算力和對應的能耗。
將算力低成本化，是AI與IoT融合併落地到具體場景，加速AI滲透到社會各角度，使能行業發展的關鍵，也是AIoT智聯網規模發展的支點。其中，新出現的AI嵌入式晶元將FPGA發揮了主導作用。
AI爆發之前，嵌入式晶元在物聯網領域早已廣泛應用，用於感測與智能硬體，通常採用CPU進行計算，CPU特點兼顧計算和控制，70%晶體管用來構建Cache 還有一部分控制單元，晶元設計用來處理複雜邏輯和提高指令的執行效率， CPU計算通用性強，適用於處理計算複雜度高業務、串列數據處理，但計算性能一般。提升CPU性能需要增加CPU核數、提高CPU頻率，或者修改CPU架構增加計算單元FMA(fused multiply-add)個數實現，提升算力同時也帶來了高計算成本與能耗。
隨著AI快速發展應用，尤其是圖像處理數據量大，快速響應，CPU不再是好的選擇。GPU晶元逐漸成為深度神經網路（DNN, Deep Neural Network）計算的主流。
GPU特點是能夠大幅精簡CPU Cache和邏輯控制單元，讓出大量的計算單元。有限的尺寸中的晶體管更多用於計算，圖形處理特點是演算法本身複雜度低，計算強度高，數據之間相關性低特點，GPU通過簡單控制器，讓數千計算單位執行相同程序，並行、流水化、高密度處理海量低關聯數據，大幅提升數據計算、吞吐能力。
GPU相對CPU更適合低層次大量重複運算領域，例如AI語音、視頻、圖片識別以及海量數據處理領域，不論是CNN(卷積神經網路)、RNN(循環神經網路)、還是DNN(深度神經網路)，通過高強度類似蒙卡特羅實驗計算，找出最優解，而無需複雜程度的運算。
可以說GPU在AI算力上比CPU有了大幅提升，每秒每瓦所執行的浮點運算達到29G次數（29GFLOPS/W），是CPU的3倍多，能耗也隨著提升，散熱性與安全性成為問題。如下表1；這也一定程度說明了AI的能耗成為不能承受之重
隨著更多圖像、視頻和語音、物聯網等非結構數據湧現，數據量繼續急劇增長，AI演算法加速創新，不斷加深神經網路層次，參數數量不斷增多，模型演算法複雜度持續提高，必然對計算帶寬、內存帶寬和存儲要求越來越高，能耗成為很大問題。
更重要的是GPU內部架構通用，很難針對某個領域進行特殊優化，日新月異的物聯、感測與AI行業應用要求晶元能夠處理新類型的計算任務;在GPU之外如果沒有新的嵌入式晶元選擇，AI無法隨著IoT大規模落地到具體應用場景，無法與實體經濟，生產生活緊密結合。
不同於 GPU 的運行原理，FPGA 是以門電路直接進行運算，硬體描述語言在執行時會被翻譯成電路，也就是FPGA不採用指令和軟體，是軟硬體合一的器件。對FPGA進行編程僅僅使用硬體描述語言即可，硬體描述語言描述的邏輯可以直接被編譯為晶體管電路的組合。所以FPGA實際上直接用晶體管電路實現用戶的演算法，沒有通過指令系統的翻譯。
在運算速度上，FPGA由於演算法是定製的，所以沒有CPU和GPU的取指令和指令解碼過程，數據流直接根據定製的演算法進行固定操作，計算單元在每個時鐘周期上都可以執行，所以可以充分發揮浮點計算能力，計算效率高於CPU和GPU，具有很大優勢。
在功耗上，由於 FPGA 低延遲、低功耗的特性，近年來，微軟、百度等公司在自家的數據中心裡大量部署 FPGA，百度在線上服務使用的 FPGA 版百度大腦，在同樣的性能下，其功耗是天河二號超級計算機的十分之一。
國內的初創公司深鑒科技用 FPGA 搭建神經網路深度學習方案（深度壓縮技術、FPGA專用編輯器以及專用處理架構），在語音識別的場景，相同的處理量FPGA 方案性能比GPU 高 3 倍，功耗降低 3.5 倍。FPGA功耗如上表1，FPGA功耗近CPU的1/10，CPU的1/5。
在應用場景上，FPGA的低功耗、高性能非常適合無源的物聯網應用與具體產品，比如深圳初創公司零度智控推出的無人機產品，採用基於FPGA神經網路機器學習技術，能夠實現物體以及行人的檢測和實時跟蹤拍攝、手勢識別、人臉識別、安防監控等功能。
可以說，FPGA晶元技術出現，在提升運算效率的同時，降低了功耗，增加了特定場景應用的適用性。FPGA晶元為推動AIOT落地社會各個角度，使能行業發展，推動企業邁向物聯化、智能化，為經濟發展新動能提供了支點。
文：曾勇
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