自適應計算：立足當下布局未來的一把“瑞士軍刀”

我最近在搬新家，發(fā)現(xiàn)自己需要一把螺絲刀；五分鐘后，我又需要一把刀子打開信封；到搬家接近尾聲時，我發(fā)現(xiàn)我又需要一個開罐器。我意識到在每項操作時我一指都在使用非常專門的工具。我的朋友看到這種情況，送了我一把瑞士軍刀， 它提供了我需要的所有工具，而且還能滿足其它新的需求。這時候， 我想起公司的自適應計算加速平臺 (ACAP) ，面對當今的人工智能 (AI) 或者說更廣泛的應用領(lǐng)域， 它不就是一把瑞士軍刀嗎？

賽靈思的 ACAP - 面向 AI 推斷及更多應用領(lǐng)域的瑞士軍刀

應用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的基于 AI 的系統(tǒng)，正越來越多地從研究項目和原型走向產(chǎn)品化階段。這也就帶來了專門針對邊緣器件的關(guān)鍵需求，例如在低價格、低功耗和低時延下提高算力和性能。此外，AI 科學家正在不斷創(chuàng)新，旨在開發(fā)出更新穎的算法和模型，這就需要對不同的硬件架構(gòu)進行優(yōu)化。

賽靈思自適應計算加速平臺 (ACAP) ，可用于為一系列應用中的核心工業(yè)功能和醫(yī)療功能加速，如電動機控制（控制算法）、機器人（運動規(guī)劃）、醫(yī)療成像（超聲波束成型）等，但我們這次重點介紹 AI。

Kiran Vishal Thanjavur Bhaaskar，賽靈思工業(yè)、視覺、醫(yī)療科學高級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和 AI 解決方案架構(gòu)師

賽靈思與當下AI發(fā)展

2018年收購深鑒科技 (Deephi)， 加上Zynq^? UltraScale+? MPSoC 的自適應計算特質(zhì)，賽靈思一躍成為 AI 推斷領(lǐng)域的前沿廠商。Deephi 曾發(fā)表全球首篇有關(guān)壓縮和稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡的論文文《深度壓縮》（Deep Compression）。深度壓縮這種方法能在不損失預測準確度的情況下成數(shù)量級地壓縮神經(jīng)網(wǎng)絡（模型經(jīng)深度壓縮后，能加快推斷速度 3-4 倍，提高能效 3-7 倍）。賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 的核心組件包括應用處理器 (Arm? Cortex-A53)、實時處理器 (ARM Cortex-R5) 和可編程邏輯 (PL)。這種平臺能將壓縮后的輸出神經(jīng)網(wǎng)絡部署在 PL 中實現(xiàn)的深度學習單元 (DPU) 上，為壓縮后的神經(jīng)網(wǎng)絡提速，使之發(fā)揮出更高性能。因為 DPU 實現(xiàn)在 PL 中，它的大小可以根據(jù)不同的并行化程度進行改變，并且還可以根據(jù)您選擇的平臺中可用的硬件資源，部署為單核、雙核或三核甚至更多。

2017 年，為進一步發(fā)揮自適應計算能力，賽靈思發(fā)布了 INT8 DPU，從浮點 (FP32) 變?yōu)檎麛?shù) (INT8)，在保持良好精度的同時，大大節(jié)省了內(nèi)存、存儲空間和帶寬。

接下來，一個嚴重的問題出現(xiàn)了：在工作中使用大量深度學習框架（TensorFlow、Caffe、Darknet 等）的 AI 科學家希望在賽靈思產(chǎn)品組合中嘗試多種硬件平臺，為他們的用例找到最佳方案。此外，他們還希望在開發(fā)工作中使用他們最熟悉的語言。為此，2019 年，賽靈思推出了名為 Vitis AI? 的統(tǒng)一軟件平臺工具來滿足上述需求。開發(fā)者通過該平臺，可以使用常見的編程語言處理常見深度學習框架中的各種模型，而且能夠支持從邊緣到云任何器件的產(chǎn)品。此外，Vitis AI 自帶 50 多種預訓練、預優(yōu)化的開源 AI 模型（賽靈思 Model Zoo），可以用定制數(shù)據(jù)集進行再訓練，與其他從頭開始培訓和優(yōu)化模型的方案相比，Vitis AI有利于 AI 軟件開發(fā)者從一個更高的起點啟動設(shè)計。

賽靈思面向當今AI應用的“六把刀”：

●   減少資源的使用 – 較低精度 (INT8) 的壓縮神經(jīng)網(wǎng)絡能減少 DSP、查找表 (LUT) 的使用，并降低存儲器占用

●   降低功耗 – 資源使用量的減少自然有利于降低功耗

●   減小 BOM 成本 – 在成本不變的情況下使用更多的可用資源，含外部功能 

●   支持深度學習框架 – 包括Caffe、PyTorch 和 TensorFlow

●   統(tǒng)一的開發(fā)工具 – 使用賽靈思 Vitis 和 Vitis AI，支持從邊緣到云端的任意器件開發(fā)

●   最大限度不更改AI 軟件開發(fā)者的基本工作流程

面向賽靈思硬件平臺AI 推斷開發(fā)的賽靈思 Vitis AI 開發(fā)平臺

賽靈思與未來的 AI

作為當今AI  領(lǐng)域扮演重要角色的技術(shù)提供商，賽靈思通過自己的硬件平臺提供自適應計算能力，持續(xù)為塑造 AI 的未來而不懈努力。其中兩項賽靈思正在開發(fā)的多種未來自適應計算方法包括：

●   INT4 DPU

●   FINN – 高速可擴展的量化神經(jīng)網(wǎng)絡推斷

注釋：本節(jié)中討論的方法目前還沒有被賽靈思產(chǎn)品化，在本文中討論的目的是展現(xiàn)賽靈思硬件平臺的自適應計算功能。

A.INT4 DPU

INT8 在 AI 推斷方面提供了比浮點運算顯著提高的性能。展望邊緣計算在未來的性能要求，我認為需要在降低或保持資源需求的前提下提高性能并降低時延，這樣一來 INT4 優(yōu)化將成為必然，屆時，硬件性能可以隨著時間的推移而不斷改進。從 INT8 DPU 升級到 INT4 DPU，已經(jīng)在現(xiàn)場完成部署的現(xiàn)有賽靈思器件，能在減少邏輯和片上存儲器占用同時，實現(xiàn)高達 77% 的性能提升。

在 INT4 DPU 上部署神經(jīng)網(wǎng)絡的第一步是實現(xiàn)整個量化過程的硬件友好。INT4 量化方法可以劃分為三類：

1.量化機制

2.量化設(shè)計硬件友好度

3.量化感知訓練

賽靈思使用量化感知訓練 (QAT)。為有效改善低比特與全精度神經(jīng)網(wǎng)絡的精度差異提供了關(guān)鍵技術(shù)。QAT 選用的算法是逐層量化感知訓練。這種方法可以用于圖像分類、姿態(tài)估計、2D 與 3D 檢測、語義分割和多任務處理。

在其他開發(fā)流程保持不變的基礎(chǔ)上，用戶只需將導入訓練后的模型通過賽靈思 Vitis AI 運行，最終生成可為目標平臺部署的模型。除了已經(jīng)介紹過的更低比特推斷帶來的如降低資源占用、降低功耗、降低BOM成本，支持常見的深度學習框架和編程語言等優(yōu)勢外，相比于 INT8 ，INT4 DPU 還能帶來 2 倍到 15 倍的性能提升。  

B. FINN

賽靈思研究實驗室在 2017 年發(fā)表了第一篇有關(guān) FINN 項目的論文，討論了第二代 FINN 框架(FINN-R)，這種端到端工具提供設(shè)計空間探索，并支持在賽靈思硬件平臺上自動完成全定制推斷引擎的創(chuàng)建。

與 Vitis AI 相似，F(xiàn)INN-R 支持多種常見的深度學習框架 (Caffe、 TensorFlow、DarkNet) 并允許用戶以邊緣和云端的多種硬件平臺為開發(fā)目標（Ultra96、PYNQ-Z1 和 AWS F1 實例）。

FINN-R 有一個主要目標：針對給定的設(shè)計約束集和專門的神經(jīng)網(wǎng)絡，找出可以實現(xiàn)的最佳硬件實現(xiàn)方案并自動完成此目標，以便用戶立即在他們的賽靈思硬件平臺上獲得由此帶來的優(yōu)勢。FINN-R 如何達成這個目標？方法是完整的推斷加速器架構(gòu)選擇和 FINN-R 工具鏈。用戶有兩種不同的架構(gòu)可供選擇：

一種是為用戶的神經(jīng)網(wǎng)絡量身定制的架構(gòu)，稱作數(shù)據(jù)流架構(gòu) (DF)；另一種則是數(shù)據(jù)流流水線架構(gòu) (MO)，用于卸載相大部分的計算負載并通過流水線迭代。

FINN-R 工具鏈的構(gòu)成包括前端、中間表達和后端。它導入量化神經(jīng)網(wǎng)絡 (QNN) 并為 DF 和 MO 架構(gòu)輸出部署包。如今的 FINN-R 能夠為 BinaryNet、Darknet、Tensorpack 提供前端，而且更重要的是，由于它的模塊性質(zhì)，通過添加額外的前端它就能為新出現(xiàn)的 QNN 框架提供支持。用戶可以隨意選擇部署包，只要保證選擇的部署包在自己的設(shè)計約束下是最佳硬件實現(xiàn)方案。

FINN 和 INT4 DPU 的主要差別在于 FINN 可以為任何低比特神經(jīng)網(wǎng)絡生成定制化硬件實現(xiàn)方案，其中的權(quán)重、激活函數(shù)和層數(shù)可以有不同精度。此外，F(xiàn)INN 還豐富的定制空間，如層數(shù)和運算符。這對于在給定的硬性設(shè)計約束條件下優(yōu)化設(shè)計性能非常有價值。另一方面，就常見的深度學習框架而言，INT4 DPU 的模型推斷加速性能比今天的 INT8 DPU 高 77%，而且在硬件資源固定的條件下，能將模型部署到從邊緣到云端的任何器件上。這兩個流程進一步豐富了用戶運用賽靈思平臺加速推斷、打造 AI 未來 的大量應用選擇。

結(jié)論

AI 和機器學習的重要性毋庸置疑。固定架構(gòu)確實可以很好地滿足當今某些應用場景， 然而展望未來，機器學習的模型和它們的需求在不斷變化，新的、未知的需求也在不斷涌現(xiàn)。而無論如何變化，這些模型也將不斷基于需求變化。賽靈思的自適應計算加速平臺既能滿足了當今的 AI 需求，也能自適應不斷演進發(fā)展的 AI 未來需求。也就是說，借助計算平臺，可以支持AI 開發(fā)者立足當下開展設(shè)計，同時通過可以應對未來變化的嵌入式平臺為未來的 AI 布局做好準備?，F(xiàn)在我要拿出我的瑞士軍刀，開一罐豆子當晚餐。