從前沿探索到應(yīng)用落地，英特爾研究院為未來計算“插上翅膀”

英國著名科幻小說家阿瑟·克拉克（《2001：太空漫游》）有言：“任何先進(jìn)的技術(shù)，初看都與魔法無異?！痹谟⑻貭栠@家巨大的半導(dǎo)體公司的內(nèi)部，有一批人正在專注于此，即用新穎的方法，在廣泛的前沿研究領(lǐng)域中探索如何幫助人類應(yīng)對在計算、連接、從云到邊緣的基礎(chǔ)設(shè)施、AI、傳感和感知等領(lǐng)域面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

這就是英特爾研究院（Intel Labs）在做的事情。2023英特爾on技術(shù)創(chuàng)新大會期間，英特爾研究院院長Rich Uhlig介紹了英特爾在AI、集成光電、神經(jīng)擬態(tài)計算、量子計算等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和解決方案，他表示：“英特爾研究院的探索邏輯是‘3S’，即 ‘發(fā)現(xiàn)’（Seek）、‘解決’（Solve）和‘推廣’（Scale），先盡量把概念向前推進(jìn)，確認(rèn)其進(jìn)入規(guī)?；A段時能夠走向成功，再建立技術(shù)原型，測試技術(shù)的應(yīng)用，如果成功，就會借助英特爾強(qiáng)大的執(zhí)行能力擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)模，將研究項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品?！?/p>

英特爾高級院士、英特爾公司副總裁兼英特爾研究院院長

Rich Uhlig

本次大會中，英特爾研究院還舉辦了技術(shù)洞察分享、專題論壇和Demo演示等豐富多彩的活動。

在技術(shù)洞察分享環(huán)節(jié)，英特爾研究院副總裁兼新興AI研究總監(jiān)Gadi Singer圍繞靈活、認(rèn)知、自主和負(fù)責(zé)任四大方面，分享了英特爾研究院對AI未來的洞察。2023年是AI向新階段過渡的一年。很多行業(yè)的重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向成本效益高、值得信賴、安全、負(fù)責(zé)任、適應(yīng)性強(qiáng)的大規(guī)模生成式AI模型，包括醫(yī)療、制造、零售和娛樂等行業(yè)。在英特爾研究院，研究人員正在推進(jìn)新興AI應(yīng)用，并與行業(yè)合作，以便更好地整合最新技術(shù)并從中獲得價值，幫助AI變得更加靈活、淵博、自主和負(fù)責(zé)任。

此外，通過多場專題論壇，英特爾研究院詳細(xì)地介紹了其在諸多前沿技術(shù)領(lǐng)域的工作，包括：

?集成光電及其對未來系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的影響

服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)移動日益頻繁，這對當(dāng)今數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施造成了沉重負(fù)擔(dān)。這個行業(yè)正在迅速接近電氣I/O性能的實(shí)際極限。通過將硅光子與低成本、大容量的硅集成，英特爾研究院的集成光電研究解決了數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡(luò)流量日益增長帶來的挑戰(zhàn)。在該專題論壇中，英特爾研究院分享了其取得的最新進(jìn)展，介紹了集成光電改變未來數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目赡苄?，并闡述了英特爾對未來數(shù)據(jù)中心的光學(xué)計算互連和端到端光網(wǎng)絡(luò)的愿景。

?面向智能邊緣的AI驅(qū)動的邊緣服務(wù)和控制

企業(yè)正在部署創(chuàng)新的基于AI或機(jī)器學(xué)習(xí)的邊緣服務(wù)，以支持分布式異構(gòu)邊緣的各種使用場景。在該專題論壇中，英特爾研究院展示了如何使用AI或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來操作智能邊緣，從服務(wù)到端到端基礎(chǔ)設(shè)施，從上到下到平臺。該專題論壇介紹了一組創(chuàng)新的邊緣應(yīng)用程序，使用AI或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提高其能力和性能，例如改進(jìn)缺陷檢測、執(zhí)行視覺查詢和數(shù)據(jù)管理或協(xié)調(diào)移動機(jī)器人路徑的應(yīng)用程序。英特爾研究院還展示了，針對資源受限的邊緣平臺的自動化AI和機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化會如何幫助優(yōu)化應(yīng)用程序的性能，并詳細(xì)介紹了這些算法如何用于優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上應(yīng)用程序的端到端操作。此外，在該專題論壇中，英特爾研究院也展示了，這些算法如何使用平臺功能——例如資源調(diào)度技術(shù)（Resource Director Technology）——動態(tài)地調(diào)整共享資源的使用，以滿足用戶通過總體目標(biāo)定義的需求，實(shí)現(xiàn)端到端管道，并詳細(xì)介紹了如何使用創(chuàng)新的AI和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化和操作智能邊緣。

?神經(jīng)擬態(tài)計算：Loihi 2和Lava軟件

盡管幾十年來取得了進(jìn)步并且近期也取得了突破，但目前的AI技術(shù)在許多重要領(lǐng)域仍然落后于生物大腦。為了創(chuàng)造充滿各種智能設(shè)備的未來世界并讓它們安全、自主地配合人類，英特爾受神經(jīng)科學(xué)原理的啟發(fā)開創(chuàng)了一種全新的計算方法。這就是全新的Loihi處理器架構(gòu)，通過最小化數(shù)據(jù)移動和利用基于稀疏性和異步事件的傳輸，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級的計算指標(biāo)提升。在該專題論壇中，英特爾研究院詳細(xì)介紹了其在神經(jīng)擬態(tài)計算研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

?推動大規(guī)模的基礎(chǔ)性AI研究

英特爾的AI實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基礎(chǔ)性AI技術(shù)、顛覆性應(yīng)用以及極具挑戰(zhàn)性的計劃。該專題論壇分享的洞察涉及十億級圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）分布式訓(xùn)練平臺，通過圖形架構(gòu)理解長視頻（在處理10倍長的視頻的同時以很低的成本匹配SOTA轉(zhuǎn)換模型的性能），以及“AI for Science”的突破（第一個面向蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的對話界面和面向新材料研發(fā)AI的全新基準(zhǔn)）。

?量子計算的進(jìn)展和英特爾?量子軟件開發(fā)工具包（Intel? Quantum SDK）介紹

盡管可能還需要很多年，但量子計算有望在能源生產(chǎn)、材料、化學(xué)品和藥物設(shè)計、金融和氣候建模以及密碼學(xué)等方面取得突破。許多公司正在共同努力，推進(jìn)有助于實(shí)現(xiàn)量子計算的研究工作。英特爾研究院正在擴(kuò)大軟件開發(fā)者社區(qū)，以充分利用名為英特爾?量子軟件開發(fā)工具包的全棧解決方案。在該專題論壇中，英特爾研究院詳細(xì)介紹了英特爾取得的最新進(jìn)展，介紹并演示了如何使用英特爾?量子軟件開發(fā)工具包，包括運(yùn)行流行的經(jīng)典量子化學(xué)算法。

?加密計算：探索數(shù)據(jù)隱私保護(hù)前沿

超越當(dāng)今的機(jī)密計算，名為加密計算的新研究領(lǐng)域有望進(jìn)一步提升云計算數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和安全。與可信執(zhí)行環(huán)境不同，加密計算是一種強(qiáng)大的新技術(shù)，通過端到端加密實(shí)現(xiàn)涉及私有敏感數(shù)據(jù)的計算和協(xié)作。它可能會徹底改變未來加密數(shù)據(jù)的共享、分析和處理方式，使組織機(jī)構(gòu)能夠獲得有價值的見解，同時從理論上消除數(shù)據(jù)暴露給第三方的風(fēng)險。在該專題論壇中，英特爾研究院介紹了在全同態(tài)加密和英特爾加密計算軟件開發(fā)工具包方面取得的最新進(jìn)展。

?自優(yōu)化數(shù)據(jù)庫：在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中使用機(jī)器學(xué)習(xí)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)。其性能取決于硬件、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫查詢。針對特定問題優(yōu)化DBMS可能會讓人不知所措。英特爾研究院與麻省理工學(xué)院和布朗大學(xué)的學(xué)術(shù)合作伙伴密切合作，正在開發(fā)自動完成自優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。采用簡單參數(shù)搜索方法的DBMS優(yōu)化以前已經(jīng)使用過，然而，這項(xiàng)研究正在通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)的創(chuàng)新方法開辟新方向。從自組織的數(shù)據(jù)容器和自動優(yōu)化的查詢引擎到DBMS內(nèi)基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的低級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一切都清晰明確。在該專題論壇中，英特爾研究院介紹了未來采用自優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。

?異構(gòu)編程：C++中的分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和視圖

分布式和異構(gòu)系統(tǒng)——例如每個節(jié)點(diǎn)有多個GPU的集群——已經(jīng)變得越來越普遍。目前，這類系統(tǒng)的編程通常使用多個低級編程模型。為了給這些系統(tǒng)打造軟件生態(tài)系統(tǒng)，需要更高級的編程模型。英特爾研究院的目標(biāo)是，幫助用戶在此類系統(tǒng)的編程中使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，就像目前使用序列系統(tǒng)一樣。英特爾研究院使用分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)在多個GPU或節(jié)點(diǎn)上自動分配數(shù)據(jù)。此外，還使用了并行計算的分布式算法。在該專題論壇中，英特爾研究院介紹了如何在多個GPU上運(yùn)行C++程序，只需極少的修改，讓性能媲美經(jīng)專業(yè)調(diào)優(yōu)的代碼。

同時，英特爾研究院還在2023英特爾on技術(shù)創(chuàng)新大會現(xiàn)場展示了多個Demo，呈現(xiàn)了推動前沿技術(shù)應(yīng)用落地的諸多探索和嘗試，包括：

?AI機(jī)器人：具有可編程性的人類-AI交互技術(shù)

協(xié)作機(jī)器人（Cobot）正在成為面向一般體力勞動的自適應(yīng)智能助手，具有顛覆性的投資回報。在這個演示中，終端用戶通過VR方式（遠(yuǎn)程）操控機(jī)器人，直接完成物品拾取和放置任務(wù)。其中展示的編程過程包括機(jī)器人模仿人類，動作和實(shí)體標(biāo)注，以及對模塊化機(jī)器人技能的安排。這個使用場景逐步演示、介紹了英特爾在運(yùn)動基元、增強(qiáng)機(jī)器人視覺和VR接口方面取得的進(jìn)展，通過英特爾RealSense技術(shù)和英特爾XPU硬件實(shí)時地控制、推理、斷定和行動。

?AI安全和信任

這個演示涵蓋了AI領(lǐng)域的安全、信任和隱私保護(hù)等幾個主題。雖然ChatGPT等流行的大語言模型（LLM）是使用公開可用的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的，但下一步是在組織內(nèi)部署它們，并通過自定義數(shù)據(jù)進(jìn)一步增強(qiáng)。但是，如何保證大語言模型尊重組織邊界，不會向未經(jīng)授權(quán)的人員透露信息？互動Demo展示了一個猜謎挑戰(zhàn)，目的是說服大語言模型透露它被告知不要透露的信息。

?輔助計算：AI回復(fù)生成與腦機(jī)接口

輔助情景感知工具包（Assistive Context-Aware Toolkit, ACAT）是由英特爾研究院開發(fā)的一個開源軟件平臺，使患有運(yùn)動神經(jīng)元疾病的人能夠通過鍵盤模擬、文本預(yù)測和語音合成進(jìn)行交流。最近發(fā)布的ACAT 2.0版具有腦機(jī)接口，使完全不能行動的用戶能夠進(jìn)行溝通。該版本還包括針對AAC（增強(qiáng)和替代性溝通）用途進(jìn)行微調(diào)的增強(qiáng)語言建模功能，以實(shí)現(xiàn)個性化的語句完成，以及更高效打字模式，提高溝通速度。該系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化，可在客戶端設(shè)備上運(yùn)行，而徹底重新設(shè)計的用戶界面易于使用。這個演示展示了ACAT的所有功能，包括腦機(jī)接口和新的文本預(yù)測功能。

?生成式AI：3D潛在擴(kuò)散模型（LDM3D）

DepthFusion展示了英特爾LDM3D擴(kuò)散模型的強(qiáng)大功能，通過文本提示生成360度視圖。LDM3D擴(kuò)散模型使用用戶提供的文本提示生成2D RGB圖像及其相應(yīng)的深度圖，從而提供文本提示的完整RGBD呈現(xiàn)。然后，利用LAION400M數(shù)據(jù)集的一個子集對該模型進(jìn)行微調(diào)，該數(shù)據(jù)集是一個大規(guī)模的圖文數(shù)據(jù)集。用于微調(diào)模型的深度圖由MiDaS 3.1生成，這是一種深度估計算法，為圖像中的每個像素提供高度精確的相對深度估計。然后，英特爾的應(yīng)用程序利用多功能平臺TouchDesigner的強(qiáng)大功能，可以創(chuàng)建身臨其境的交互式多媒體體驗(yàn)，生成逼真的360度視圖，為用戶提供一種獨(dú)特而引人入勝的方式來體驗(yàn)他們給出的文本提示。

?光場顯示器上的沉浸式遠(yuǎn)程呈現(xiàn)

該Demo重點(diǎn)介紹了一個完整的實(shí)時光場視頻端到端系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用云處理，并在內(nèi)容創(chuàng)建和消費(fèi)終端設(shè)備方面獲得客戶端功能的支持。這項(xiàng)“光場視頻”技術(shù)展示了在沉浸式視頻點(diǎn)播、實(shí)時直播和視頻會議體驗(yàn)方面的突破。該演示展示了一個完整的端到端系統(tǒng)，其中包括一個用于同時捕捉各種攝像頭角度的消費(fèi)級光場攝像頭陣列，用于可變視點(diǎn)視頻創(chuàng)建、云處理、流媒體內(nèi)容交付的算法，以及一個沉浸式視頻觀看設(shè)備。

?神經(jīng)對象復(fù)制：用于游戲等領(lǐng)域的AI驅(qū)動的3D內(nèi)容創(chuàng)建

?神經(jīng)擬態(tài)計算：利用Loihi 2進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度和優(yōu)化

該演示展示了，在解決物流和運(yùn)營中經(jīng)常遇到的調(diào)度問題時，英特爾的神經(jīng)擬態(tài)技術(shù)如何減輕計算負(fù)擔(dān)。一個典型的調(diào)度問題涉及分配一定數(shù)量的代理來執(zhí)行特定數(shù)量的任務(wù)，同時遵守調(diào)度的約束。該演示展示了如何解決太空技術(shù)行業(yè)的一個關(guān)鍵調(diào)度問題：將大量地球觀測請求（任務(wù)）安排給衛(wèi)星群（代理）。調(diào)度問題所花費(fèi)的時間與代理數(shù)量，以及要解決的任務(wù)數(shù)量的平方成正比。對于擁有數(shù)十個衛(wèi)星和數(shù)千個客戶請求的商業(yè)衛(wèi)星公司來說，目前的算法無法及時找到最佳解決方案。

?量子計算：英特爾?量子軟件開發(fā)工具包和3D交互式硬件演示

該演示重點(diǎn)介紹了英特爾量子軟件開發(fā)工具包（Intel? Quantum SDK）的1.0版本，該工具包讓用戶可以對接英特爾的量子計算堆棧。該軟件開發(fā)工具包包括一個基于C++的直觀用戶界面、一個適用于量子計算的基于LLVM的編譯器工具鏈，以及一個高性能的英特爾量子模擬器（Intel Quantum Simulator）作為以量子比特為目標(biāo)代碼的后端。該演示還展示了英特爾量子硬件的3D交互式外觀。

邁向計算的未來，人類不會停步。英特爾研究院將始終致力于在各種前沿領(lǐng)域“全面出擊”，從技術(shù)探索，到應(yīng)用落地，不斷探索多樣化的可能性，為未來計算“插上翅膀”。