人工智能AI正在進入到越來越小的物聯網設備中

分布最廣的物聯網設備往往體積很小、電量有限。它們被作為終端硬件，通過嵌入式傳感器采集各種數據；計算能力有限，對功耗極為敏感。這類設備也能實現機器學習嗎？一個趨勢是，人工智能AI正在加快速度從“云端”走向“邊緣”，進入到越來越小的物聯網設備中。在終端和邊緣側的微處理器上，實現的機器學習過程，被稱為微型機器學習，即TinyML。

分布最廣的物聯網設備往往體積很小、電量有限。它們被作為終端硬件，通過嵌入式傳感器采集各種數據；計算能力有限，對功耗極為敏感。這類設備也能實現機器學習嗎？

一個趨勢是，人工智能AI正在加快速度從“云端”走向“邊緣”，進入到越來越小的物聯網設備中。

在終端和邊緣側的微處理器上，實現的機器學習過程，被稱為微型機器學習，即TinyML。更準確的說，TinyML是指工程師們在mW功率范圍以下的設備上，實現機器學習的方法、工具和技術。

一批企業(yè)正在利用TinyML相關的技術與產品，探索如何在這些無處不在的小型設備上，更好的搭載機器學習，以便提高設備的分析能力和運行效率。

TinyML是不同技術領域和推動因素的交集，它位于物聯網設備、機器學習和邊緣計算之間的結合部，并因為多種驅動力的綜合作用，進展很快。

在剛剛過去的2月中旬，TinyML 2020峰會在硅谷舉行。英偉達、ARM、高通、谷歌、微軟、三星等公司紛紛展示了微型機器學習的最新成果。

這是TinyML峰會的第二屆。TinyML 2019峰會共吸引了來自90多家企業(yè)的數百名工程師參與，而本屆峰會的盛況更是空前，并且得出了很多重要結論：

對于很多應用場景，TinyML技術和硬件已經進化到實用性較強的階段；

無論是算法、網絡，還是低于100KB的ML模型，都取得了重大突破；

視覺和音頻領域的低功耗需求快速增長。

TinyML峰會的主辦方，是在2019年7月剛剛成立的TinyML基金會，成員不僅包含各大知名企業(yè)，還包含GreeWaves、Eta Compute、Esperanto、Xnor、Picovoice等優(yōu)秀的初創(chuàng)公司。

技術的進步和生態(tài)的發(fā)展，為TinyML的發(fā)展賦予了巨大的動能。目前，TinyML的影響力正在持續(xù)發(fā)酵，2020年勢必將有大批產品和解決方案問世，是一個值得重點把握和關注的領域。因此本文將為你匯總呈現TinyML的全景：

什么是TinyML？

什么是TinyML即服務？

TinyML為何重要？

TinyML的市場規(guī)模預測

TinyML的最新產品有哪些？

TinyML有哪些應用實踐？

TinyML的相關組織

01

什么是TinyML

機器學習（ML）正在變得越來越小。

正如文初所述，TinyML是機器學習在微控制器上的應用，是超低功耗邊緣側人工智能。

無論何時何地，數據都需要即時可用，這一趨勢越來越明顯。全球各行各業(yè)都在經歷由這種需求推動的“數字化轉型”。根據IDC的分析，到2025年，全球創(chuàng)建的數據中，超過四分之一的數據在本質上都是實時數據，而物聯網實時數據將占這部分數據的95%以上。

大量涌現的數據催生出了一系列全新的技術，機器學習、自然語言處理和人工智能，它們將數據分析從不常見的、追溯式的實踐，轉變成為戰(zhàn)略決策和行動的前攝式推動因素。這些技術可以大大提高各種行業(yè)、環(huán)境和應用數據分析的頻率、靈活性和即時性。同樣根據IDC的預測，到 2025 年，屬于數據分析的全球數據總量將增長至原來的50倍，達到 5.2ZB；而機器學習所“觸及”的分析數據總量將增長至原來的100倍，達到1.4ZB。

目前存在的機器學習可以劃分為3種形態(tài)，云端ML、邊緣ML和TinyML。TinyML正是針對占比超過95%以上的物聯網實時數據處理場景。

因此，目前針對不同類型的計算平臺，在不同時間創(chuàng)建和使用的數據量，機器學習被較為清晰的劃分為3種類型，發(fā)揮著各自差異化的作用：

云端ML：是指機器學習在企業(yè)內部或云端特定計算數據中心的應用。這些云服務器涵蓋所有類型，包括公共云、私有云和混合云。此外，它還包括運營控制中心，例如管理電網或電話網絡的那些運營控制中心。

邊緣ML：是指機器學習在不處于核心數據中心的，企業(yè)級計算機/設備中的應用。邊緣設備包括服務器機房，現場服務器，以及位于各個地區(qū)以加快響應速度為目的的小型數據中心。

TinyML：是指超低功耗的機器學習在物聯網各種終端微控制器中的應用。TinyML通常功耗為毫瓦（mW）級別甚至更低，因此可以支持各種不同的電池驅動的設備，和需要始終在線的應用。這些設備包括智能攝像頭、遠程監(jiān)控設備、可穿戴設備、音頻采集硬件以及各種傳感器等等……

再看TinyML的發(fā)展現狀，從算法、軟件、硬件這三個維度分析，TinyML已經進化到“足夠好”，可以實際應用的階段。

TinyML是一個新興領域，是快速增長的機器學習技術和應用，是一片巨大的、未被充分開發(fā)的藍海。

數以億計的微控制器和各種各樣的傳感器結合在一起，在未來可能會激發(fā)一些非常有創(chuàng)意、更具實用價值的TinyML應用。

對TinyML做個簡單總結：

What：TinyML是指超低功耗（毫瓦量級）的邊緣側機器學習應用。

Why：TinyML可以提升大量物聯網設備的數據分析和決策能力。

How：TinyML的實現需要硬件、軟件和算法的整體性協同設計。

When：現在是著手布局TinyML的最好時機。

TinyML蘊含巨大機會，很多剛剛浮現。未來一兩年內，這個領域很可能會出現顯著進展。

02

什么是TinyML即服務（TinyML-as-a-Service）

接著我們再來看看什么是TinyML即服務。

這是愛立信率先提出的一個理念。

首先，我們需要明確的區(qū)分在物聯網終端中應用機器學習的兩種方式：

為物聯網終端設備提供機器學習服務

在物聯網終端設備中內嵌TinyML即服務

這兩種表述看似相像，實則不同。

在第一種情況下，為物聯網終端設備提供的機器學習服務，一般將所有ML任務都“外包”給邊緣設備和云服務器，終端設備則以接收者的身份，“被動”執(zhí)行由邊緣和云端下發(fā)的各種任務。

在第二種情況下，物聯網終端設備中內嵌TinyML即服務，“主動”參與智能決策與執(zhí)行。雖然與云端和邊緣相比，終端設備的資源非常有限，但TinyML即服務仍舊可以提升終端設備的分析能力，以便其能更好的處理實時物聯網數據。

因此TinyML即服務，真正的實現了將機器學習帶入到物聯網終端。

看到這里，你或許有個疑問：機器學習生態(tài)系統非常龐大，而且對資源要求很高。物聯網設備那么小，可以執(zhí)行哪些機器學習任務？

為了更好的回答這個問題，我們先來說說TinyML和云端ML之間的差異，它們分別處于兩個截然不同的世界。

上圖是從硬件和軟件的角度，定性和定量的比較TinyML和云端ML的差異。與TinyML可以調用的資源相比，云端ML簡直是“富豪”。為了順利推進，TinyML必須采用與云端ML不同的思維模式。

在本文最初的三環(huán)圖中可以看到，TinyML和Linux之間并沒有太多交集。大量的物聯網設備并沒有運行Linux的能力，TinyML無法調用很多成熟的工具、應用和基于容器的虛擬化技術，必須另辟蹊徑的解決各種軟件、硬件和算法極為缺乏的問題，部署ML服務。

很多公司圍繞TinyML付出了各種努力，在后面的部分，我們將會介紹各種TinyML的產品和最新實踐。

當然，想要在終端物聯網設備中，獲得和云端ML同樣的體驗是不現實的。TinyML主要實現的是推理（inference），也就是把從訓練中學習到的能力，應用到實際操作中去。

TinyML想要落地，還需要一整套成熟的架構。愛立信將TinyML即服務的生態(tài)系統拆分為3個基本組件：

編譯器插件接口

編排協議

推理模塊規(guī)格

支持這三個組件，表示物聯網硬件可以滿足實現TinyML即服務的基本要求。下圖中更詳細的展示了這3個組件之間的相互作用：綠色代表編譯器插件接口，黃色代表編排協議和推理模塊規(guī)格這兩個部分。

實現TinyML即服務，需要面對的挑戰(zhàn)也是無比艱巨的：

TinyML不僅需要面臨邊緣ML的全部困難，而且解決問題的能力更加有限；

如何借鑒云端ML的成功經驗，順利推進TinyML在終端中的部署；

如何為數量巨大的物聯網設備，都能提供TinyML的良好體驗。

03

TinyML為什么重要？

看到這里，你應該對TinyML的重要性已經有了自己的評估。

我們再來統一做個梳理。

TinyML的出現，是為了更好的緩解邊緣ML和云端ML中，無法突破的多種問題，包括數據隱私、網絡帶寬、時間延遲、可靠性和能源效率：

數據隱私：大量的最終用戶非常在意數據隱私，在數據開放與共享方面保持謹慎態(tài)度。很多用戶不愿意將自己的數據交由第三方云平臺和邊緣服務提供商，進行存儲和管理。很多用戶傾向于定義清晰的“本地”物理邊界，以保存其關鍵的生產和運營數據。TinyML嘗試在物聯網設備上，直接處理和分析受限的敏感數據，保護了數據隱私。

網絡帶寬：很多物聯網設備通過窄帶物聯網NB-IoT或者其他低功耗廣域物聯網通信協議與網絡通信，帶寬和數據傳輸能力極為有限。這些設備有強烈的在本地處理數據的需求，以減少數據的傳輸，降低網絡帶寬和傳輸功耗的壓力，避免在終端和邊緣設備之間形成帶寬瓶頸，影響整套物聯網解決方案的性能。

時間延遲：隨著5G等技術的發(fā)展，海量物聯網設備將被部署，很多應用場景都對時間延遲非常敏感，希望數據可以被實時傳輸。TinyML通過將某些機器學習任務轉移到設備本身，來進一步減少網絡延遲的可能性，

可靠性：在偏遠地區(qū)、海上平臺、空間站、極端環(huán)境的應用中，網絡通信有可能無法保證始終覆蓋。因此在這些物聯網設備中，具備機器學習能力是一種必要功能。TinyML可以將某些邊緣和云端中的機器學習能力移植到本地，提升可靠性。

能源效率：許多物聯網設備都是電池供電，對于功耗的要求很高。通過極低功耗TinyML的數據分析，減少網絡傳輸的數據量，可以在一定程度上，節(jié)約物聯網終端中的電量消耗。

因為具備解決多種問題的潛力，有望突破成本、帶寬和功耗的限制，因此一經提出，TinyML就獲得了廣泛關注，并被賦予了較高期待。

04

TinyML市場規(guī)模預測

海量的物聯網設備位于網絡邊緣，并且這些設備有越來越小的趨勢，因此TinyML的未來發(fā)展，具有極大的想象空間。

目前全球有2500億個微控制器在各地運行，僅2018年一年就售出了281億個單元，IC Insights預測，到2023年，微控制器的年出貨量將增長到382億個。而且這些微控制器對應的設備，都有變得越來越智能的需求。

換句話說，未來分布在煙霧傳感器、心臟起搏器、車載終端中的2500億個微控制器，有可能可以執(zhí)行以前只有計算機和智能手機才能處理的任務。

根據SilentIntelligence的預測，在未來5年，TinyML將觸發(fā)超過700億美元的經濟價值，并且保持超過27.3%的復合年均增長率（CAGR）。

TinyML的市場規(guī)模比邊緣ML和云端ML都要大。

但是如此巨大的市場，卻較難開發(fā)。因此TinyML涉及到不同公司的協同，公司之間的商業(yè)模式也有本質區(qū)別。以TinyML領域的人工智能SaaS服務商SensiML為例，其商業(yè)模式如下圖所示。

2019年1月，當時成立6年的SensiML被QuickLogic公司并購。根據QuickLogic的財報披露，QuickLogic以全部股票交易方式收購其所有已發(fā)行和流通在外的普通股，總價為1,169,752美元。

05

TinyML的最新產品

上圖是由Topio Networks整理的邊緣智能產業(yè)圖譜。

邊緣ML是個相對成熟的領域，很多企業(yè)都在其中精耕細作，他們當中的很多也已經開始了TinyML的嘗試。

ARM、高通、谷歌、博世、蘋果和微軟等公司，正試圖加速推進TinyML的落地，將其搭載于各種傳感器上。

比如高通推出了超低功耗的always-on計算機視覺解決方案。

該方案具有超低功耗，始終保持開啟狀態(tài)，使用系統電源小于1mA標準鋰電池，典型幀率為1-30 fps。

對應的產品Qualcomm QCC112，已經可以實現商用。

博世推出了用于物聯網的MEMS傳感器，可實現TinyML應用。

蘋果以2億美元收購了TinyML初創(chuàng)公司Xnor.ai。Xnor.ai致力于開發(fā)高效、低功耗的TinyML應用，這些應用不需要強大的處理能力，也不需要連接到云端，而是在設備上處理本地數據。

ARM最近公布了兩款芯片設計，它們分別是ARM Cortex-M55和Ethos-U55，可以實現在沒有云端連接的設備上，執(zhí)行機器學習的能力。

ARM認為這兩款產品的推出，將會開啟終端智能的新紀元。

ARM設想的用例是在智能手杖中的360度攝像頭，可以自動識別障礙物并上報主人，或者搭載于高鐵中的智能傳感器，可以就地識別問題并及時報警，避免延誤。

新品的推出將會極大的提升ML推理速度和能源效率。

不過預計相關的芯片，最早要到2021年初才能問世。

除了巨頭之外，初創(chuàng)公司在TinyML領域也非常活躍。

GreenWaves公司采用多個RISC-V內核，在超低功耗下實現TinyML應用。其第二代產品GAP9，擁有10個RISC-V核心。其中，一個作為結構控制器，另外9個形成計算集群。這些控制器和計算集群，運行于獨立的電壓和頻率域。并通過支持最先進的FD-SOL處理技術，進一步降低了功耗。

Eta Compute公司的ECM3532適用于低功耗IoT，擁有兩個核心，Arm Cortext-M3和DSP?？蓪崿F長待機狀態(tài)下的圖像處理和傳感聚合，功耗僅為100微瓦。該芯片具有512KB閃存和256KB SRAM，Eta Compute展示的案例包括語音、圖像和視頻識別，以及在工業(yè)傳感場景中的應用。

06

TinyML的應用實踐

TinyML尚處于應用的早期，在一些領域有了初步實踐：

車載應用：Swim.AI在實時數據傳輸的過程中使用TinyML，通過有效提升傳感器中對于實時交通數據的智能化處理能力，減少了乘客的等候時間、交通擁堵的概率、改善汽車的排放并提升乘車安全。

智能工廠：在制造業(yè)中，TinyML可以通過啟用實時決策，減少由于設備故障而導致的非計劃性停機。它可以根據設備狀況提醒工人必要時進行預防性維護。

QuickLogic的子公司SensiML在這個領域進行了不錯的嘗試，基于他們的產品可以快速構建智能傳感方案。

并且SensiML已經將TinyML用于工業(yè)預測性維護的相關場景中。

對于預測性維護應用的開發(fā)人員，SensiML智能化軟件工具包的優(yōu)勢在于，它使開發(fā)人員能夠在數天、數周內構建智能物聯網傳感設備，而無需數據科學或嵌入式固件專業(yè)知識。

該軟件包括SensiMLData Capture Lab（數據捕獲實驗室），這是一個用于收集和整理訓練數據集的集成工具。

對于預測性維護，數據集是來自各類傳感器的時間序列數據。SensiML人工智能軟件工具包分析標記數據，以生成可實施異常檢測的分類器算法。然后使用同一工具編譯算法以在所選硬件目標上運行，例如微控制器或QuickLogic自己的QuickAI片上系統平臺。

智能零售：通過監(jiān)控店內貨架，并在商品數量低于一定水平時，立即發(fā)送警報，TinyML可以防止零售端的商品脫銷。

智慧農業(yè)：農民可能因動物疾病而遭受嚴重損失。利用搭載TinyML的遠程監(jiān)控設備，實時監(jiān)測牲畜的心臟、血壓、體溫，土壤的溫濕度等狀況，可以幫助農民預測和預防養(yǎng)植物和牲畜流行病的發(fā)作。

07

TinyML的相關組織

每項成功的技術，都離不開核心團隊和相關組織的推進。

TinyML領域最活躍的組織是TinyML基金會，這是一個由工程師們自發(fā)構建的社群，成立于2019年7月，經常進行小型交流，并且每年舉辦TinyML峰會。

----寫在最后----

微小的TinyML將會變得很大，這個新生事物正在逐步成型的過程中，需要來自軟件側、硬件側、算法側、應用側等涉及多方的通力協作，才能有效構建完整的生態(tài)系統。

關于這個領域的最新進展，我還會持續(xù)追蹤。

本文小結：

1.TinyML是機器學習在微控制器上的應用，是超低功耗邊緣側人工智能。TinyML通常功耗為毫瓦（mW）級別甚至更低，因此可以支持各種不同的電池驅動的設備，和需要始終在線的應用。

2.想要在終端物聯網設備中，獲得和云端ML同樣的體驗是不現實的。TinyML主要實現的是推理（inference），也就是把從訓練中學習到的能力，應用到實際操作中去。

3.TinyML是一個新興領域，是快速增長的機器學習技術和應用，是一片巨大的、未被充分開發(fā)的藍海。

原文標題：一文讀懂即將引爆的TinyML：在邊緣側實現超低功耗機器學習【物女心經】

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責任編輯:haq