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‘深度學(xué)習(xí)’(deep learning)已經(jīng)改變了計(jì)算機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界中觀看、傾聽與認(rèn)知事物的方式。然而，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，最重要或許也最實(shí)際的問題是：深度學(xué)習(xí)將會(huì)深入智能手機(jī)、可穿戴式設(shè)備或是自動(dòng)駕駛汽車中使用的微型計(jì)算機(jī)視覺SoC嗎？誰將致力于開發(fā)針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的SoC架構(gòu)？它將會(huì)是一款什么樣的SoC？ “毫無疑問地，深度學(xué)習(xí)確實(shí)是改變游戲規(guī)則的一大突破，”嵌入式視覺聯(lián)盟(EVA)創(chuàng)辦人Jeff Bier以計(jì)算機(jī)視覺為例表示，深度學(xué)習(xí)具有強(qiáng)大的影響力，“必須說的是，目前它還只是一種經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域。人們正在嘗試不同的東西。” 現(xiàn)在已經(jīng)有充份的證據(jù)顯示芯片供貨商對(duì)深度學(xué)習(xí)(更具體地說是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的興趣不斷增加。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)正廣泛地應(yīng)用在影像與視頻辨識(shí)領(lǐng)域。 高通(Qualcomm)日前推出了首款可‘模擬人腦’的Zeroth認(rèn)知運(yùn)算平臺(tái)。根據(jù)高通表示，Zeroth將會(huì)被應(yīng)用在未來的移動(dòng)芯片中，包括即將推出的Snapdragon 820。 Cognivue是另一家專注于深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的公司。該公司開發(fā)出新的Opus嵌入式視覺SoC架構(gòu)，據(jù)稱將可利用深度學(xué)習(xí)方面的進(jìn)展，大幅提高認(rèn)知偵測(cè)的準(zhǔn)確度。Cognivue目前正與加拿大渥太華大學(xué)(University of Ottawa)合作開發(fā)這一架構(gòu)。 從Nvidia今年的GPU技術(shù)大會(huì)(GTC)發(fā)布來看，就能了解Nvidia也正看好以GPU為主的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域。 中國(guó)搜尋巨擘百度(Baidu)也致力于開發(fā)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于辨識(shí)數(shù)據(jù)中心的基本對(duì)象分類。百度計(jì)劃將這些模型移植到嵌入式系統(tǒng)中。 百度深度學(xué)習(xí)研究院(Baidu Research)科學(xué)家吳韌表示，“隨著智能手機(jī)的處理性能大幅提高，從數(shù)據(jù)中心的深度學(xué)習(xí)擷取的超級(jí)智能模型可執(zhí)行在我們的手機(jī)上。”一支有效配置的手機(jī)可以直接在手機(jī)上執(zhí)行這些模型，而不需要透過云端傳送與接收數(shù)據(jù)。吳韌并補(bǔ)充說：“目前所面臨的最大挑戰(zhàn)在于是否能以低功耗模式執(zhí)行作業(yè)。” 人工智能導(dǎo)入深度學(xué)習(xí) 有一點(diǎn)是明確的。籠罩在1980年代末期和1990年代早期對(duì)于人工智能(AI)的沮喪和失望已經(jīng)煙消云散了。在這個(gè)新的‘巨量數(shù)據(jù)’時(shí)代，大量的數(shù)據(jù)和超強(qiáng)運(yùn)算能力的結(jié)合，開始訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨別對(duì)象。深度學(xué)習(xí)如今正被視為邁向AI道路的一種全新領(lǐng)域。 有些人宣稱，機(jī)器正取得像人類一樣準(zhǔn)確辨識(shí)對(duì)象的能力。根據(jù)微軟(Microsoft)研究人員最近發(fā)布的一篇文章，該公司基于深度CNN的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在ImageNet 1000挑戰(zhàn)賽中的對(duì)象分類表現(xiàn)，首度超越了人類的能力。就在微軟宣布其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以4.94%的誤差率超越人類基準(zhǔn)的5.1%誤差率過后五天，Google也宣布該公司的系統(tǒng)表現(xiàn)更勝微軟0.04%。 然而，在電子產(chǎn)業(yè)中，不同的廠商解決深度學(xué)習(xí)的方法也各不相同。 Nvidia三款GPU產(chǎn)品進(jìn)軍深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域 在GPU技術(shù)大會(huì)上，Nvidia執(zhí)行長(zhǎng)黃仁勛以Titan X發(fā)表專題演講，他指出這款新的GeForce游戲GPU是‘唯一適合深度學(xué)習(xí)’的系統(tǒng)。他并發(fā)表Nvidia的數(shù)字深度學(xué)習(xí)GPU訓(xùn)練系統(tǒng)——這是一款專為加速高質(zhì)量深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)用。他還發(fā)布了一套桌側(cè)深度學(xué)習(xí)機(jī)Digits DevBox，專為任務(wù)而打造，采用四個(gè)GTX Titan X顯卡，并搭配直覺使用的DIGITS訓(xùn)練系統(tǒng)軟件。 Nvidia是否計(jì)劃為其GPU擴(kuò)展至先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的嵌入式視覺SoC？該公司汽車部門資深總監(jiān)Danny Shapiro表示，Nvidia并不會(huì)像芯片公司一樣推出GPU，“而是為汽車OEM提供一套完整的統(tǒng)，包括可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的云端和車載計(jì)算機(jī)。” 例如Nvidia在今年的CES發(fā)表基于Tegra X1處理器的DRIVE PX平臺(tái)。該公司表示，DRIVE PX平臺(tái)是一款有能力使用機(jī)器學(xué)習(xí)的車載計(jì)算機(jī)，不僅能夠幫助汽車感知環(huán)境，還有助于‘解讀’周遭世界。 當(dāng)今的ADAS技術(shù)已經(jīng)能夠檢測(cè)一些物體，并執(zhí)行簡(jiǎn)單的分類、提醒駕駛?cè)耍踔猎谟行┣闆r下暫停汽車。而Nvidia表示其Drive PX已經(jīng)進(jìn)展到下一階段了。Shapiro強(qiáng)調(diào)，Drive PX平臺(tái)如今已“有能力分辨救護(hù)車和載貨卡車”。 例如，配備Drive PX的汽車能夠利用深度學(xué)習(xí)能力變得“越來越智能化，隨駕駛時(shí)數(shù)與里程數(shù)增加而更聰明。”Shapiro說，在道路上的學(xué)習(xí)過程與數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)中心后，汽車再?gòu)闹芷谛缘能浖轮性黾又R(shí)與能力。 奧迪(Audi)首先宣布使用Drive PX平臺(tái)開發(fā)其汽車自動(dòng)駕駛功能的計(jì)劃。Nvidia將在今年5月開始為客戶提供Drive PX。 關(guān)于深度學(xué)習(xí)芯片算法構(gòu)架，高通選擇三緘其口 高通的認(rèn)知平臺(tái)盡管將成為全新Snapdragon移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用處理器的一部分，但卻對(duì)其建構(gòu)模塊三緘其口。該公司僅解釋，Zeroth平臺(tái)具有“計(jì)算機(jī)視覺、設(shè)備上深度學(xué)習(xí)、可辨識(shí)場(chǎng)景與對(duì)象的智能相機(jī)，以及閱讀文本與手寫”的能力。 同時(shí)，加拿大公司Cognivue看好CNN的出現(xiàn)將為嵌入式視覺SoC領(lǐng)域創(chuàng)造一個(gè)公平的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)會(huì)。 Cognivue專精于設(shè)計(jì)自有的影像認(rèn)知處理器核心、工具與軟件，并獲得像飛思卡爾(Freescale)等合作伙伴的采用。透過利用Cognivue的可程序技術(shù)，飛思卡爾為其汽車視覺系統(tǒng)提供了智能成像與視頻辨識(shí)解決方案。 Cognivue產(chǎn)品管理副總裁Tom Wilson表示：“我們正開發(fā)一個(gè)非常適合深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的大規(guī)模平行圖像處理架構(gòu)與數(shù)據(jù)路徑管理。”相對(duì)的，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的方案經(jīng)常采用手動(dòng)設(shè)計(jì)其嵌入式視覺SoC，以便隨時(shí)保持與改變中的不同視覺算法同步。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手通常密切注意最新的算法進(jìn)展，并應(yīng)用于其SoC設(shè)計(jì)與優(yōu)化。否則他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自已陷于老舊架構(gòu)而不適于新的CNN。 Cognivue的新影像認(rèn)知處理技術(shù)稱為Opus，它將利用APEX架構(gòu)，從而為復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)分類提供平行處理的能力。h（來源：Cognivue） 渥太華大學(xué)(University of Ottawa)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授Robert Laganiere說：“在CNN出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用以前，算法設(shè)計(jì)師必須做出涉及多個(gè)視覺算法層次和步驟的許多設(shè)計(jì)決定。” 這些決定包括用于對(duì)象偵測(cè)的分類方式，以及打造功能整合的方法(利用嚴(yán)密的檢測(cè)器，如直方圖等)。更多決策還包括如何處理對(duì)象變形部位的辨識(shí)，以及是否要利用串聯(lián)方法(一系列確認(rèn)定對(duì)象的較小決定)或采用可支持的向量機(jī)器進(jìn)行處理。 Laganiere教授說：“在這個(gè)方法上為每一個(gè)步驟所做的任何一個(gè)小決定，都可能為對(duì)象辨識(shí)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生巨大的影響。” 然而，在深度學(xué)習(xí)架構(gòu)中，你可以將所有的步驟整合于一，他解釋說：“你不需要做出決定，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)將會(huì)為你做決定。” 換言之，正如Bier總結(jié)的那樣：“傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺在物體辨識(shí)上采用非常程序性的途徑，但深度學(xué)習(xí)則大不相同，因?yàn)槟悴恍枰俑嬖V計(jì)算機(jī)需要看什么。” Bier將這一過程描述為兩階段法。學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程先在專用設(shè)施完成，例如利用數(shù)據(jù)中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)。然后，將第一階段中的大量數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)為‘設(shè)定’和‘協(xié)同效率’應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。 有關(guān)CNN架構(gòu)的爭(zhēng)論才剛剛開始 以嵌入式視覺SoC來看，目前還沒有就最佳的CNN架構(gòu)達(dá)成共識(shí)。 Cognivue和渥太華大學(xué)的Laganiere認(rèn)為，大規(guī)模的平行架構(gòu)是有效處理CNN的必要方式。在平行處理中，某一影像采用特定參數(shù)可產(chǎn)生另一幅影像，而在該影像上施加另一個(gè)濾波時(shí)，即產(chǎn)生另一幅影像。Laganiere說：“因此，在SoC中你需要更多的本地內(nèi)存來儲(chǔ)存中介的結(jié)果。” 遺憾的是在一個(gè)大型CNN中，最后可能會(huì)出現(xiàn)幾百萬種參數(shù)。他解釋說，“好消息是我們已經(jīng)有了簡(jiǎn)化這一過程的方法，能夠移除一些不必要的連接。”然而，在處理CNN的不同節(jié)點(diǎn)上仍然存在挑戰(zhàn)，你無法預(yù)先決定要將那個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到那個(gè)節(jié)點(diǎn)。“這就是為什么你需要一個(gè)可編程的設(shè)計(jì)架構(gòu)，而不能透過硬件連接這些節(jié)點(diǎn)。” 同時(shí)，Bier說，在為CNN設(shè)計(jì)處理器時(shí)，“你可以用簡(jiǎn)單且統(tǒng)一的架構(gòu)。”而不是設(shè)計(jì)一個(gè)不同的SoC架構(gòu)，然后在每次出現(xiàn)新算法時(shí)再進(jìn)行一次優(yōu)化；CNN處理器只需要一些附帶較少變量的簡(jiǎn)單算法。他解釋說：“話句話說，你可以減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性，只要我們知道正確的設(shè)定方法和輸入系數(shù)。但很多公司都還沒準(zhǔn)備好這樣做，因?yàn)檫@些事還在發(fā)展中。” 為了實(shí)現(xiàn)視覺SoC的CNN應(yīng)用，芯片供貨商用盡了從CPU、GPU到FPGA和DSP的一切。因此，Bier認(rèn)為有關(guān)CNN架構(gòu)的爭(zhēng)論才剛剛開始。 無疑地，盡管深度學(xué)習(xí)預(yù)示著嵌入式視覺SoC的未來，Bier表示，像Mobileye等主要的視覺芯片供貨商已經(jīng)積累了大量基于視覺的汽車安全專業(yè)知識(shí)，所以， “盡管在未來的競(jìng)爭(zhēng)激烈，Mobileye仍具有先發(fā)制人的優(yōu)勢(shì)。” 吳韌并強(qiáng)調(diào)將深度學(xué)習(xí)導(dǎo)入到嵌入式系統(tǒng)的重要性。但在談到智能手機(jī)和可穿戴式設(shè)備導(dǎo)入深度學(xué)習(xí)將面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，他總結(jié)出三個(gè)要點(diǎn)： 首先，“我們?nèi)栽趯ふ覛⑹旨?jí)的應(yīng)用”，他以MP3為例表示，當(dāng)業(yè)界開發(fā)出MP3時(shí)，人們知道這玩意兒是做什么用的，因此開發(fā)SoC時(shí)也較簡(jiǎn)單。盡管在設(shè)備上導(dǎo)入深度學(xué)習(xí)聽起來不錯(cuò)，但最佳應(yīng)用是什么？目前還沒人能回答。 其次，“深度學(xué)習(xí)需要一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，”他強(qiáng)調(diào)，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)之間的合作至關(guān)重要，而且非常有幫助。 最后，“我們還得讓更小的設(shè)備具備深度學(xué)習(xí)的能力，”吳韌表示，使其得以實(shí)現(xiàn)高性能與低功耗才是關(guān)鍵。 |
