Arm MCU在邊緣AI落地的方法

　　魯?冰?（《電子產(chǎn)品世界》編輯）

　　AI（人工智能）在M級(jí)的便宜的小器件上能不能落地？它需要什么資源，性能又怎么樣？不久前，Arm中國攜手恩智浦半導(dǎo)體在全國進(jìn)行了巡回講演。Arm中國高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理Eric Yang分享了AI的基礎(chǔ)知識(shí)，分析認(rèn)為邊緣AI可以通過在MCU這樣的小芯片上實(shí)現(xiàn)，并推介了Arm的軟件中間件NN——可以有效地對(duì)接算法和具體芯片，最后列舉出了Arm MCU的應(yīng)用案例。

　　1 邊緣AI潛力巨大

　　AI有沒有前途？

　　前兩年AI非常火，AI公司支付的薪水很高。不過，2019年上半年以來，很多AI公司活得并不是很好。AI到底有沒有機(jī)會(huì)？還需不需要關(guān)注？

　　如果借鑒歷史，大約在5億年前是單細(xì)胞生物，之后生物學(xué)上出現(xiàn)了寒武紀(jì)大爆發(fā)，產(chǎn)生了大量的新生物，其中帶智能的生物慢慢進(jìn)化出來。

　　現(xiàn)在從嵌入式或者產(chǎn)業(yè)角度來看，有點(diǎn)類似于寒武紀(jì)的前夕。如果從身邊去觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)無論是生活還是工作環(huán)境安裝了很多傳感器，而且傳感器有越來越多的趨勢(shì)。Arm的孫正義先生認(rèn)為，現(xiàn)在還是百億級(jí)、千億級(jí)傳感器的量，到2025年會(huì)有約1萬億的設(shè)備連上傳感器，相當(dāng)于2025年時(shí)到了寒武紀(jì)大爆發(fā)時(shí)期。

　　不過，那么多傳感器相連，如果都靠傳統(tǒng)的計(jì)算方式，即完全是靠你的算法或控制去實(shí)現(xiàn)一些功能/性能的時(shí)候，是有很大的瓶頸的。所以大量傳感器可能會(huì)采用AI技術(shù)，一部分AI在云端，更多的是在嵌入式端。

　　2 AI中遇到的概念

　　AI、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、深度學(xué)習(xí)（DL），這些概念到底什么關(guān)系？

　　AI是用機(jī)器來模擬人的思維習(xí)慣，讓機(jī)器來達(dá)到人的決策的能力。要實(shí)現(xiàn)這一功能，就需要讓機(jī)器做學(xué)習(xí)，這主要是通過概率論、統(tǒng)計(jì)論之類的方法，讓機(jī)器找到算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器能夠?qū)W習(xí)這樣的功能（如圖1）。

　　實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)里面有種方法叫深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)相當(dāng)于你準(zhǔn)備大量的數(shù)據(jù)，然后放到那個(gè)模型里邊去，讓它學(xué)會(huì)“感知+判斷+思維”的能力。在深度學(xué)習(xí)下面，會(huì)有我們經(jīng)常聽到的算法，諸如CNN、RNN等。

　　3 CNN

　　在機(jī)器學(xué)習(xí)方面有兩個(gè)方面需要去理解：訓(xùn)練和推斷。第一是若在云端，叫訓(xùn)練，云端需要有巨大的數(shù)據(jù)量做訓(xùn)練；第二是設(shè)備端。設(shè)備端主要是做推斷，即把云端訓(xùn)練好的模型思維方式下載到設(shè)備端，設(shè)備端再根據(jù)獲得的信號(hào)得出一個(gè)推斷的結(jié)果。

　　訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)，需要非常高的性能、大量的帶寬去實(shí)現(xiàn)。所以一般要在服務(wù)器、GPU、加速卡上運(yùn)行。

　　在設(shè)備端，因?yàn)橐呀?jīng)有現(xiàn)成的訓(xùn)練模型，所以只做判斷/推斷，相對(duì)來講要考慮的地方較為簡(jiǎn)單，例如性能方面，中低端的性能就可實(shí)現(xiàn)；效率方面，包括成本效率、功耗效率；再有，因?yàn)樵O(shè)備端涉及到聯(lián)網(wǎng)，還要有安全隱私的考慮。

　　那么，哪些功能適合放在設(shè)備端或服務(wù)器端/云端？如圖2，分別從AI的3個(gè)典型應(yīng)用——視覺、音頻以及健康管理來分析。圖2左都是大型的機(jī)器學(xué)習(xí)，在服務(wù)器上面，圖2右是設(shè)備端可以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用與技術(shù)。

　　以視覺來看，首先，如果做具體物體的識(shí)別，例如，這是一條狗，這條是什么品種的狗，或者人臉識(shí)別，這種方式基本上放在服務(wù)器端。如果做類的識(shí)別，例如是狗、車還是飛機(jī)，這種識(shí)別就可以放在設(shè)備端了。CIFAR-10就是一種常用來做的標(biāo)準(zhǔn)模型。

　　例如在音頻方面，如果只是做一個(gè)關(guān)鍵字的識(shí)別，或簡(jiǎn)單的一個(gè)命令的識(shí)別，可以放在設(shè)備端；如果是做語義的識(shí)別（例如你講一句話，讓機(jī)器知道你的意思，回答你下一句話），通常放在云端/服務(wù)器端。

　　同樣，在健康管理方面，如果讓手機(jī)、手環(huán)或智能手表做一個(gè)動(dòng)作的識(shí)別，例如解釋你是在走路、跑步還是蹲下，這可在設(shè)備端實(shí)現(xiàn)；如果要是做具體的疾病識(shí)別，要放在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。

　　在嵌入式系統(tǒng)里面，做ML要考慮哪些因素？列表如表1所示。

　　首先在系統(tǒng)層，你要考慮到效率，因?yàn)榍度胧皆O(shè)備一般都會(huì)有成本的考慮，因?yàn)榱糠浅４?，布設(shè)的端點(diǎn)非常多。另外是功耗的考慮，有的設(shè)備涉及到電池供電。之后還有帶寬，因?yàn)樾枰?wù)器/云去通訊。最后還需要考慮到隱私和加密。

　　在AI部分，可能你要考慮到的你輸入的種類、參數(shù)、轉(zhuǎn)換的效率、你要得到結(jié)果的精度、你所選用的設(shè)備的算法，或者你要達(dá)到這樣精度要消耗的內(nèi)存資源。

　　在ML部分經(jīng)常聽到一些算法，諸如CNN、DNN、RNN、LSTN。這些算法對(duì)應(yīng)的常用的應(yīng)用場(chǎng)景，例如CNN適合視覺識(shí)別、圖片識(shí)別，DNN比較適合語音識(shí)別。

　　表2是Arm做的不同ML算法在不同的內(nèi)存資源和CPU資源情況下得到的結(jié)果。

　　可見準(zhǔn)確度、消耗的資源跟你的系統(tǒng)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如分散式CNN算法可以達(dá)到95%的準(zhǔn)確度，最小的時(shí)候可能只占了不到40 kB內(nèi)存，消耗的CPU運(yùn)算能力只有5.4MOps，這相當(dāng)于人們常見的M0嵌入式設(shè)備就能運(yùn)行起來?？梢?，在Arm生態(tài)系統(tǒng)里，從M0到M7，都可以在這些芯片上面去實(shí)現(xiàn)ML功能（如圖3）。這顛覆了人們以前的觀念——一定要有很大的GPU、服務(wù)器、手機(jī)平臺(tái)等去做。

　　在硬件方面，Arm推動(dòng)MCU芯片合作伙伴，加外設(shè)、加功能去做具體芯片出來。同樣，在軟件方面，Arm也提供了軟件中間件，叫。

　　4 CMSIS-NN

　　該軟件中間件的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是全球比較大的一些公司，包括國內(nèi)的百度、阿里等經(jīng)常無償?shù)靥峁C(jī)器學(xué)習(xí)的算法，讓免費(fèi)使用，以在其服務(wù)器上得到接口。但落地時(shí)候怎么辦？因?yàn)椴煌緯?huì)提供不同種類的算法，如果你對(duì)每種算法都去做支持，整個(gè)開發(fā)維護(hù)的工作量會(huì)非常大的，尤其對(duì)于嵌入式設(shè)備的廠家更是如此。

　　Arm在中間做了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口優(yōu)化。上面直接去對(duì)接算法，下面去對(duì)接具體的硬件。這就把AI機(jī)器學(xué)習(xí)當(dāng)做是一個(gè)以前的通訊庫，或者是API來用，就可以了。圖4是具體應(yīng)用的流程。

　　CMSIS-NN在Cortex-M上來實(shí)現(xiàn)的軟件庫，是在2018年1月發(fā)布的，是開源的，你可以看到所有源代碼，因此不會(huì)存在安全、自主可控的困惑。

　　不僅如此，現(xiàn)在NN 還 針 對(duì) 大 核 ， 例 如系列以及Mali GPU，也是開源的，于2018年年中發(fā)布。

　　至此，CMSIS-NN可以運(yùn)行在Arm所有CPU上。

　　相比只從那些算法公司下載開源程序、把它移植到Arm CPU上去運(yùn)行，分別對(duì)卷積、池化以及激活函數(shù)方面做對(duì)比，對(duì)比圖如圖5?？梢娫诔鼗瘯r(shí)，用CMSIS-NN，可以達(dá)到4.6倍性能的提升。

　　CMSIS-NN效率很高。恩智浦半導(dǎo)體做的一個(gè)在相同的硬件環(huán)境下，CMSIS-NN與的性能對(duì)比。采用的芯片分別是Cortex-M4和的 芯 片 ， 在 做 C I F A R - 1 0 時(shí) ，（注：提供的嵌入式版本的CNN模型）用約120 ms才能完成某個(gè)識(shí)別；只需要20 ms左右。

　　CMSIS-NN一直在更新，基本上每個(gè)季度有優(yōu)化版。

　　5 用CMSIS-NN做ML的應(yīng)用案例

　　第一個(gè)應(yīng)用是CMSIS-NN如何與恩智浦半導(dǎo)體的AI平臺(tái)——eIQ平臺(tái)對(duì)接（如圖6）。它是把算法集成好，對(duì)用戶來講，首先是找到一個(gè)事先做好的模型，選擇是否也需要做壓縮的算法。如果不做壓縮，就把它做模型轉(zhuǎn)換到Cortex-M系列里的語言里。只需要把傳感器的信號(hào)輸入，恩智浦的芯片（例如：i.MX RT）就會(huì)做出一個(gè)決策。

　　實(shí)際上，用Arm MCU芯片做成的產(chǎn)品已有商用化的案例。美國的Amiko公司做的哮喘治療器（如圖7）采用ML算法來做監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)。它的原理比較簡(jiǎn)單，其中的傳感器可以識(shí)別幾個(gè)內(nèi)容。第一，把設(shè)備從正常的狀態(tài)顛倒過來，變成放到嘴里的狀態(tài)。其次，它可以監(jiān)測(cè)到吸入的流量大小。實(shí)現(xiàn)方法是：在云端做好了一個(gè)模型之后，它可以通過這模型來指導(dǎo)這個(gè)吸入哮喘劑是否正確，以及吸的量夠不夠。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第87頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。