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【Edge AI專欄】 開發者如何選擇 Edge AI 開發方案

   

Posted By on 5 月 27, 2024 in AI關鍵技術, Edge AI, Edge AI解決方案, Edge AI開發學習, Edge AI開發環境, 科普, 綜論 | 0 comments

作者：Jack OmniXRI

常有人在問「我想學 Edge AI，我有個情境要應用 Edge AI，究竟要選那種方案才能快速上手及完成專案呢？」，這不禁會讓人想起星爺電影「食神」中的一句對白「施主，這個問題你應該要問你自己！」。

「Edge AI」到底是什麼，可能問十個專家會得到十一種答案，或許把「Edge AI」當成「交通工具」來比喻會更容易得到答案吧？舉例來說，當你問巨大機械（捷安特）什麼是交通工具，那麼他可能會回答「當然是腳踏車呀！」，而同樣的問題問睿能創意(GOGORO)、特斯拉(Tesla)和長榮集團(Evergreen)時，則會得到電動機車、電動跑車和飛機、輪船的答案，這些都沒有對錯，只是大家都以自己的立場回答問題而已。

 

Fig. 1 不同等級的交通工具。

同樣地，當你問不同硬體廠商「什麼是 Edge AI？」時，單晶片廠商會回應你「當然是MCU呀！」，而MPU, NPU, GPU, SoC廠商則會回答是單板微電腦(SBC)、AI加速晶片(NPU, GPU, XPU)、智慧手機(Mobile)，當你問筆電(NB)供應商時，肯定會得到「是AI PC無誤」，不過當你問向世界最大AI晶片供應商時，老黃會不疾不徐的說道「我們家的 EGX 伺服器才是最適合大家的 Edge AI 方案，超便宜的，才一千（萬）出頭而已。」。

從上述答案可看出「Edge AI」從數美金到數十萬美金的方案都有，為什麼有這麼大的跨度呢？因為廣義上來說，只要不上網就能把AI推論完成的都能算在內，若要再定義窄一點，則使用電池電力完成AI推論的才能算，那筆電、手機、嵌入式、穿戴式裝置會更接近「Edge AI」的範圍。

Fig. 2 不同等級的 Edge AI 方案。

根據上述說明，所以如果把選擇「Edge AI方案」當成是要買「交通工具」或許就簡單清楚多了，首先要考慮目的、用途、使用頻度，再來考慮口袋有多深、性價比如何，當然還要考慮自己是否有足夠的駕馭能力，最後後續的油電費、維修保養費、過路停車費及折舊費也要多方考慮的，以免負擔不起。如 Fig.3 所示，當把以上考慮內容換成「應用場景」、「開發框架」、「運行功耗」、「模型訓練」、「推論速度」、「優化部署」及其它各種額外費用，那麼相信大家心中的那把尺就很清楚了。

 

Fig. 3 選擇 Edge AI 方案考量重點。

至於買「交通工具」究竟要自己上作很多功課，研究各種規格，還是要聽好友、老婆、親人甚至網友建議都無妨，甚至只因車上多一個小裝置就買了，反正只要滿足功能需求和對的起錢包就好，而選擇「Edge AI方案」亦是如此。接下來就分別對幾項挑選重點項目分享給大家參考一下。

1. 應用與算力需求

依 Fig. 2所示， Edge AI 跨度頗大，硬體算力由小至大可分為下列五個等級 AI。

穿戴式(Wearable)或智慧感測(Smart Sensor)，即 MCU 等級，如 Arm Cortex-M 系列。部份 MCU 可能會內建微型神經加速處理器(NPU, 俗稱AI晶片)來增加算力。

單板微電腦(Single Board Computer, SBC)，即單核或多核（同質或大小核） 微處理器(MPU) 構成的開發板，如 Arm Cortex-A 系列。

行動式(Mobile)，即系統級晶片(SoC) 構成的裝置，如手機、平板等行動通訊裝置，通常除基本 MPU 功能外，還常會配置圖形處理器(GPU)、數位信號處理器(DSP)甚至會有神經加速處理器(NPU)。有些沒有內建 NPU 的 SoC 或 MPU 會另外加掛獨立運行的 NPU，如 Hailo, Kneron 等晶片。

筆電(Notebook, NB)，即具有一般x86(Intel, AMD), Arm (Apple Mac, Microsoft Surface) CPU的筆電，有時會搭載內顯或外顯 GPU，最近 AI PC 等級筆電則是將 NPU 也加入 CPU中。

伺服器(Server)，基本上和一般大型伺服器類似，只是號稱不上網（外網），只提供企業內網使用，包含模型訓練和推論，這裡就不多作介紹。

不同 Edge AI 應用情境，因為模型複雜度、參數數量及數值表示系統(如 FP32, FP16, BF16, INT8, INT4, FP8…)不同，所需算力(每秒計算操作量 Operations per Second, OPS)也會有很大差異，通常會以 MOPS(10^6), GOPS(10^9), TOPS(10^12)來表示。

通常 OPS 越高代表計算能力越強，但要注意的是實際進行推論計算時，每秒可完成的推論次數和 OPS 不一定完全成正比，這還和許多軟硬體設計有關連。就像車子從靜止加速到100KM所需的秒數，數字小表示馬力足、性能好，但實際開上路，哪台車子跑的快，除了這個數字外，還有很多路況及駕駛問題要考量。

另外算力夠不夠還要考慮的是多少要完成推論一次，假設在某個裝置上推論一次0.5秒，若要求三秒才推論一次就沒問題，但如果要求一秒要推論5次，那就要考慮換小一點的模型或快一點的裝置。

如 Fig. 4所示，通常「智慧感測」的模型量級最小，模型大小可能僅為數十到數百KB，而計算量通常僅要數到數百MOPS就足夠。再來為「電腦視覺」、「自然語言」、「生成式對話/繪圖」，最大的應該是「多模態應用」，參數量可能已達數百兆到數千兆，計算量更是要數十到數百TOPS才足以應付。

當然同一領域也會隨著不同應用有很大的差異，如「電腦視覺」中的「影像分類」和「影像分割」就有可能差數十到數百倍的計算量差異。所以不同的應用通常要搭配不同的算力來實現。從 Fig. 4中就可看出不同應用情境所需搭配的推論算力及較合適的硬體裝置，當然如果要更精算的話，就要找出實際要推論的模型及硬體規格來估算。

 

Fig. 4 依應用場景及算力需求選擇 Edge AI 方案建議圖。

2. 開發框架與平台

再來要考慮的點是開發方式，找一個工程師熟悉的或容易在網路找到資源和支援的專用或開源工具，對於系統的改善及後續的維運會減少很多浪費。

一般在 MPU 及 MCU 等級裝置，Arm架構是較多人使用的，Arm分別就 Cortex-A(MPU) & Cortex-M(MCU)上提供了 Arm NN , Compute Library 和 CMSIS-NN 函式庫來加速運算，透過這一層可連接上層的 AI 開發框架，如 Google TensorFlow, PyTorch, ONNX，亦可連接下層的 CPU, GPU, NPU 甚至特定的加速裝置。

當然這樣的函式庫對大部份的 MPU/MCU 或中大型 AI 工程師可能都不好上手，所以各家 MPU/MCU 都有自家對應的開發工具，如下所示(依廠商英文字順序排列）。而部份工具有些為半開放，不限於自家產品才可使用。

如果這些工具還太工程，不好上手，也有很多整合型工具供應商，提供從資料標註、模型挑選、訓練調參、壓縮優化到部署管控的雲端或本機端工具，甚至有些還可收費幫忙完成特定專案。以下就簡單列出幾個較知名的廠商。(依廠商英文字順序排列）

近幾年由於嵌入式單板微電腦及單晶片市場導入 AI 的應用越來越多，所以連知名 AI 框架也開始陸續投入，如下所示。

另外為了讓未來開發軟體的人不用考慮是何種硬體(CPU, GPU, NPU, FPGA…)進行推論計算，將硬體抽象化，目前也有部份工具供應商也積極在推展中，如下所示。

3. 硬體加速與功耗

現有大多數的數位信號處理及深度學習模型，主要都是在執行矩陣運算，其核心公式就是「Y=AX+B」，又稱「乘積累加運算」（Multiply Accumulate, MAC）。由於數量非常巨量，所以如何在同一時間內處理越多的 MAC ，就能讓推論速度加快。

在通用型硬體中，可以分為下列類型。其中較具代表性的供應商如下所示。

  • 中央處理單元(CPU)：x86(Intel, AMD), Arm, RISC-V
  • 繪圖處理單元(GPU)：Nvidia, AMD, Intel, Arm
  • 數位信號處理器(DSP)：TI, Ceva, Cadence(Tensilica Xtensa)
  • 神經網路加速處理單元(NPU):或稱xPU, x 依各廠商自行定義)，Hailo, Arm(Ethos), SiMa, Kneron, VeriSilicon), Google TPU
  • 現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)：AMD(Xilinx), Intel(Altera), Lattice, Microchip
  • 特定應用積體電路(ASIC)：Groq LPU(LLM專用)

不同硬體加速方式不同，包括下列方式。

  • CPU – 增加工作時脈頻率
  • CPU – 單指令週期硬體乘法、除法、浮點數計算
  • CPU – 使用DSP指令 (乘法累加MAC)
  • CPU – 平行 / 向量指令集 (SIMD, MVE, NEON)
  • CPU – 多核心加速 （同質、大小核、異質）
  • GPU – Nvidia（CUDA, Tensor, NVDLA)
  • DSP / NPU – 增加乘法累加MAC數量
  • FPGA – 依需求設計上述可能作法
  • ASIC – 依特定功能設計，如LLM

Fig. 5 Edge AI 硬體類型及加速方式。

4. 模型優化與部署

如果硬體加速能力有限的話，選擇合適的工具來幫忙模型優化及壓縮，節省參數儲存空間（硬碟或快閃記憶體）及程式計算空間（隨機存取記憶體）又能保證模型變小後推論精度不會下降太多，就像多啦A夢的縮小隧道，人進入後雖然體形變小但所有生理機能卻能維持不變。

一般模型優化常見技術包括下列項目。

  • 數值量化：把FP32降到FP16、INT8甚至FP8、INT4以節省儲存空間。
  • 模型剪枝：把網路中不必要或低影響力的節點及權重刪除。
  • 模型壓縮：共用部份參數或利用小矩陣取代大矩陣運算。
  • 知識蒸餾：使用原（老師）模型輸出作為小（學生）模型訓練的資料集，經大量資料訓練後以小模型取代原模型。

除上述處理方式，亦可透過 AutoML 技術，自動調整模型部份超參數，如網路層數、節點數等，最後再依參數量、記憶體使用量或推論精度優先的條件來調整。這樣的方式雖然很方便不懂相關技術的工程師，但需要有非常強大的算力來協助調整及訓練模型。

綜合上述描述這項工作並非一般工程師有能力處理的，所以依賴現有工具才是好的方式，目前常見工具如下列所示。

最後得到這些優化後的模型，要在實際的硬體裝置運行時可能還要將特定的函式庫及環境設定檔一起部署進去，否則將無法順利執行推論，而這些工作最後是透過人為方式處理，還是透過工具打包，就依不同優化工具提供的內容而有所不同。

Fig. 6 Edge AI 模型優化加速方式。

小結

看完上述介紹，不知大家是更清楚怎麼選擇開發方案了，還是更亂了呢？猜想這大概和買車前看完一堆攻略還是有一堆問號一樣吧？這裡幫大家簡單總結一下，如果較在意成品單價，則先確認應用情境，選擇合適模型並找出需求參數量及參考算力，定義推論頻度、速度及精度，決定可用硬體下限及參考單價，而其它項目就請工程師多花點時間解決吧。相信只要不要想用腳踏車的預算和規格來完成汽車才能作到的事，這樣就不會遇到太多麻煩事了。

參考文獻

[1] 許哲豪， OmniXRI‘s Edge AI & TinyML 小學堂 Youtube 直播
https://www.youtube.com/@omnixri1784/streams

[2] 許哲豪，【vMaker Edge AI專欄 #08】親愛的我把AI模型縮小了- 模型減量與壓縮技術簡介
https://omnixri.blogspot.com/2023/08/vmaker-edge-ai-08-ai.html

[3] 許哲豪，【vMaker Edge AI專欄 #13】誰說單晶片沒有神經網路加速器NPU就不能玩微型AI應用？
https://omnixri.blogspot.com/2024/01/vmaker-edge-ai-13-npuai.html

[4] 許哲豪，【vMaker Edge AI專欄 #14】從CES 2024 看Edge AI及TinyML最新發展趨勢
https://omnixri.blogspot.com/2024/02/vmaker-edge-ai-14-ces-2024-edge-aitinyml.html

[5] 許哲豪，【vMaker Edge AI專欄 #15】從MWC 2024看AI手機未來發展
https://omnixri.blogspot.com/2024/03/vmaker-edge-ai-15-mwc-2024ai.html

（本篇文章經同意轉載自vMaker，原文連結；責任編輯：謝嘉洵。）

許 哲豪
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許 哲豪

Author: 許 哲豪

工作經驗超過二十年，主要專長機電整合、電腦視覺、人機互動、人工智慧、專利分析及新創輔導。曾任機電整合工程師、機器視覺研發副理、技轉中心商業發展經理。目前擔任多家公司兼任技術顧問並積極推廣實境互動相關技術。 主持歐尼克斯實境互動工作室(OmniXRI)：http://omnixri.blogspot.com Edge AI Taiwan邊緣智能交流區：https://www.facebook.com/groups/edgeaitw/

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