據(jù) IDC 估計(jì)，到 2025 年將有超過(guò)557億的入網(wǎng)設(shè)備，其中 75%將連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺(tái)。聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的快速增長(zhǎng)引起數(shù)據(jù)流持續(xù)攀升，產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)處理需求，人工智能（AI）的高效算法將會(huì)在不同方面有效克服物聯(lián)網(wǎng)部署及應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，IoT技術(shù)正在與AI技術(shù)發(fā)生深度融合，從而產(chǎn)生AIoT的概念。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，AIoT將迎來(lái)發(fā)展的黃金十年。
然而AI技術(shù)與IoT技術(shù)的融合并不是那么簡(jiǎn)單，如果說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于人身上遍布的周圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么AI則相當(dāng)于人的大腦。要達(dá)到類似于人類的智能，設(shè)備必然需要進(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算，這意味著大量的存儲(chǔ)空間、強(qiáng)大的計(jì)算能力、高速的數(shù)據(jù)交互，只有部署在云端的大型服務(wù)器才能夠勝任這一工作。而IoT技術(shù)由于是物與物之間的互連，多數(shù)設(shè)備需要電池供電，并且數(shù)據(jù)在物與物之間的流通并不能完全依賴于云端，因此物聯(lián)網(wǎng)通常意味著低成本和低功耗，使得AI技術(shù)與IoT技術(shù)的融合產(chǎn)生了一定矛盾與困難。
邊緣AI可以很好地解決這一矛盾。邊緣AI技術(shù)在靠近用戶本地的終端網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行AI運(yùn)算，使得設(shè)備可以在本地自行做出運(yùn)算與決策，而不必連接到互聯(lián)網(wǎng)。相比于云端AI，邊緣AI具備實(shí)時(shí)性好、帶寬資源要求低、隱私性高等特點(diǎn)，特別適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增長(zhǎng)，邊緣AI可以在許多方面大顯身手，如語(yǔ)音識(shí)別、人體數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)警等。針對(duì)通信不佳的偏遠(yuǎn)地區(qū)，智能預(yù)警尤為重要，如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、公路鐵路大壩塌方檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，邊緣AI的自主智能識(shí)別克服了傳統(tǒng)的云端監(jiān)測(cè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的高要求，只需要設(shè)備發(fā)送的一條短信就可以快速實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，從而避免更嚴(yán)重的災(zāi)害發(fā)生。
全球領(lǐng)先的高性能半導(dǎo)體公司ADI（亞德諾半導(dǎo)體）近日舉辦了一場(chǎng)以“激活邊緣智能”為主題的媒體溝通會(huì)，ADI中國(guó)技術(shù)支持中心高級(jí)工程師辛毅介紹了ADI公司的邊緣AI解決方案，并與ADI MCU產(chǎn)品線資深業(yè)務(wù)經(jīng)理李勇一起探討邊緣AI MCU產(chǎn)業(yè)未開(kāi)的發(fā)展趨勢(shì)。
ADI邊緣AI解決方案
考慮到邊緣AI作為在設(shè)備本地端執(zhí)行的AI，通常需要使用電池供電，因此需要在系統(tǒng)功耗、計(jì)算速度和設(shè)備成本之間進(jìn)行很好的平衡。對(duì)此，ADI便推出了適用于邊緣智能領(lǐng)域的MCU新品——集成邊緣AI加速器的低功耗雙核微控制器MAX7800X系列，可以在功耗、速度、成本三個(gè)方面達(dá)成最優(yōu)的平衡，加上其小尺寸的優(yōu)勢(shì)，是邊緣AI應(yīng)用的理想產(chǎn)品。
ADI邊緣AI微控制器技術(shù)架構(gòu)（圖源：ADI公司）
MAX7800X系列產(chǎn)品具備特殊的架構(gòu)，由兩個(gè)微控制器內(nèi)核（ARM Cortex-M4F和RISC-V）加上一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）加速器構(gòu)成。這一架構(gòu)針對(duì)邊緣進(jìn)行了高度優(yōu)化，數(shù)據(jù)的加載和啟動(dòng)由微控制器內(nèi)核負(fù)責(zé)，而AI推理由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器專門負(fù)責(zé)。這使得AI推理可以無(wú)需聯(lián)網(wǎng)就在邊緣完成，并且微控制器內(nèi)核在完成加載和啟動(dòng)后就無(wú)需操作，功耗很低。
李勇認(rèn)為，集成CNN硬件加速器在邊緣AI芯片設(shè)計(jì)中將是一個(gè)技術(shù)趨勢(shì)方向。集成CNN的一個(gè)重要原因就是降低功耗。通用處理器如Cortex-M7，運(yùn)行速度較快，主頻達(dá)到200MHz，但運(yùn)行功耗較高，如果用Cortex-M7來(lái)運(yùn)算CNN算法，運(yùn)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)很高的功耗。集成CNN專用硬件會(huì)極大地縮短運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)而降低功耗。
ADI邊緣AI微控制器技術(shù)優(yōu)勢(shì)（圖源：ADI公司）
由于獨(dú)特的架構(gòu)和完美的分工，與運(yùn)行在低功耗微控制器上的純軟件解決方案相比，ADI的MAX7800X方案具備更高的數(shù)據(jù)吞吐量，速度提高了100倍，但是成本僅僅是FPGA或GPU解決方案的零頭。相比于微控制器加上DSP的方案，ADI方案的功耗不足該方案的百分之一。
ADI邊緣AI微控制器產(chǎn)品（圖源：ADI公司）
和MAX78000相比，MAX78002有更高頻率的微控制器內(nèi)核、更大存儲(chǔ)空間、更快的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，模型維度達(dá)到MAX78000的4倍，更支持視頻處理，可以看作是MAX78000的升級(jí)版。
ADI邊緣AI MCU應(yīng)用實(shí)例
為了縮短工程師的開(kāi)發(fā)時(shí)間，和ADI的其他MCU系列產(chǎn)品一樣，ADI針對(duì)MAX7800X系列產(chǎn)品也推出了許多支持資源，包括數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用筆記、評(píng)估套件、參考設(shè)計(jì)、教學(xué)視頻、工具、例程，幫助用戶基于MAX7800X系列進(jìn)行進(jìn)一步的AI研發(fā)。用戶可以在ADI官網(wǎng)上或者GitHub上找到這些資源。
針對(duì)MAX7800X系列產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，ADI推出了基于MAX78000參考設(shè)計(jì)——相機(jī)模組MAXREFDES178，供用戶評(píng)估MAX78000執(zhí)行AI推理的性能。MAXREFDES178是一個(gè)魔方的形狀，尺寸僅約為4.2cm×4.5cm×4cm，便攜性好，還具備攝像頭、麥克風(fēng)、顯示屏、按鈕等多個(gè)機(jī)械組件，同時(shí)內(nèi)置了電池，真正實(shí)現(xiàn)了電池供電的邊緣AI推理，支持人臉識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別的功能。
ADI邊緣AI微控制器相機(jī)模組MAXREFDES178（圖源：ADI公司）
ADI邊緣AI微控制器產(chǎn)品的視覺(jué)識(shí)別應(yīng)用（圖源：ADI公司）
MAX7800X支持在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)視覺(jué)識(shí)別的功能，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，MAX7800X可以正確識(shí)別人臉，從而可以用在考勤打卡、智能門鎖等電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上。
ADI邊緣AI微控制器產(chǎn)品的視覺(jué)識(shí)別應(yīng)用（圖源：ADI公司）
在識(shí)別物品方面，可以通過(guò)在攝像頭上集成MAX78002，從而達(dá)到垃圾分類、產(chǎn)品分裝、快遞分揀的功能。
ADI低功耗MCU升級(jí)消費(fèi)&工業(yè)
自1995年進(jìn)入中國(guó)，ADI公司MCU產(chǎn)品的出貨量超過(guò)10億片，由于功耗低、接口優(yōu)、通訊新、評(píng)估全、開(kāi)發(fā)易、安全強(qiáng)等六大特色，被廣泛用在各行各業(yè)，在我們的身邊幾乎“無(wú)處不在”。
近年來(lái)，隨著消費(fèi)類和工業(yè)應(yīng)用向高端發(fā)展，用戶往往會(huì)傾向于將更多的微控制器整合到系統(tǒng)當(dāng)中。這些微控制器包括負(fù)責(zé)應(yīng)用邏輯與控制的MCU、負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)集中的MCU，以及負(fù)責(zé)藍(lán)牙連接的MCU等。同時(shí)，系統(tǒng)還需要具備獨(dú)立的電源管理芯片為這些MCU供電。但是，由于應(yīng)用的復(fù)雜度越來(lái)越高、產(chǎn)品尺寸越來(lái)越小、續(xù)航要求越來(lái)越長(zhǎng)，傳統(tǒng)的多芯片方案往往難以滿足設(shè)計(jì)需求。針對(duì)這些痛點(diǎn)，ADI的低功耗微控制器憑借單一芯片就集成了傳統(tǒng)上多片微控制器才具備的功能，也內(nèi)置了電源管理模塊。
ADI低功耗微控制器產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例（圖源：ADI公司）
ADI的低功耗MCU MAX32675在用作工業(yè)流量計(jì)，可以監(jiān)測(cè)各種流體，如污水、原有、自來(lái)水等，單芯片集成MCU、高精度ADC、運(yùn)算放大器和專門的HART模塊等功能。
MAX32672可用在光學(xué)式氣體探測(cè)儀上，基于光學(xué)原理進(jìn)行氣體測(cè)量，具備高性能、高精度的優(yōu)勢(shì)，并且內(nèi)置安全模塊，可以對(duì)敏感信息加密。
除了工業(yè)應(yīng)用，ADI的低功耗微控制器在消費(fèi)類應(yīng)用中也得到了廣泛應(yīng)用。例如MAX32650用在可穿戴智能手表, 具有1MB的Flash和3MB的RAM，可以支持較大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算，非常適合需要收集大量數(shù)據(jù)的智能手表場(chǎng)合。同時(shí)，MAX32650的高安全性也保證了使用者的個(gè)人隱私數(shù)據(jù)不會(huì)被泄漏。
ADI低功耗微控制器產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例（圖源：ADI公司）
MAX32660可用在TWS耳機(jī)中，具有小尺寸低、功耗的特點(diǎn)，還支持在TWS耳機(jī)上實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)耳機(jī)設(shè)備的智能化、健康設(shè)備的便攜化。
此外，MAX32660還可以用在掃地機(jī)器人的激光雷達(dá)模塊中；MAX32666用在可穿戴的心電T恤中，作為醫(yī)療輔助設(shè)備；MAX32680則可以用在血糖儀產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式血糖監(jiān)測(cè)。
從功能應(yīng)用上，MCU產(chǎn)品主要分為低功耗MCU、安全MCU、AI MCU三類。尤其2020年至今，ADI在傳統(tǒng)MCU技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)拓創(chuàng)新了嶄新的邊緣AI MCU，從而可以支持在電池供電設(shè)備中輕松實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)人工智能?？梢钥闯?，ADI在面對(duì)AIoT的發(fā)展已經(jīng)做好了充分的準(zhǔn)備。