意法半導(dǎo)體近期發(fā)布的 STM32Cube.AI v7.2 帶來(lái)了對(duì)深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支持功能，從而可以在現(xiàn)有微控制器上運(yùn)行更準(zhǔn)確的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件。STM32Cube.AI 于 2019 年推出，用于把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為適合STM32 MCU 的代碼。該解決方案依附于 STM32CubeMX，這是一個(gè)幫助開(kāi)發(fā)人員初始化STM32芯片的圖形界面軟件。同時(shí)，STM32Cube.AI 還用到 X-CUBE-AI軟件包，其中包含用于轉(zhuǎn)換訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序庫(kù)。開(kāi)發(fā)人員可以參照我們的入門(mén)指南，從STM32CubeMX內(nèi)部開(kāi)始使用 X-CUBE-AI并體驗(yàn)新功能。 目前，新增加的深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持已經(jīng)出現(xiàn)在我們與施耐德電氣合作開(kāi)發(fā)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用軟件中。
    STM32Cube.AI: 從研究到實(shí)際軟件
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是什么？

    簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是一系列網(wǎng)絡(luò)層。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)輸入層和一個(gè)輸出層，以及介于兩者之間的一個(gè)或多個(gè)隱藏層。因此，深度學(xué)習(xí)是指三層以上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中“深度”這個(gè)詞表示有多個(gè)中間層。每一層都包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接到下層的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。簡(jiǎn)而言之，信息通過(guò)輸入層進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，穿過(guò)隱藏層，然后，從一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)出來(lái)。
    量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別是什么？
    開(kāi)發(fā)人員在節(jié)點(diǎn)內(nèi)使用權(quán)重和偏差兩種參數(shù)來(lái)決定信息在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的傳播方式。在數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)將會(huì)影響數(shù)據(jù)。權(quán)重是系數(shù)。當(dāng)權(quán)重越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)輸出越準(zhǔn)確，但算量也隨即增大。每個(gè)節(jié)點(diǎn)還用激活函數(shù)來(lái)確定如何轉(zhuǎn)換輸入值。因此，為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，開(kāi)發(fā)人員可以使用權(quán)重精度較低的量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。效的量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是權(quán)重值和激活函數(shù)值只用+1 和 -1兩個(gè)數(shù)值的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (BNN)。因此，BNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的要求非常低，然而準(zhǔn)確度也差。
    為什深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很重要？
    業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)是找到一種簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，以便在微控制器上運(yùn)行推理運(yùn)算，同時(shí)又不把準(zhǔn)確度降到讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)毫無(wú)用處的程度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，意法半導(dǎo)體和意大利薩勒諾大學(xué)的研究人員在深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DQNN上展開(kāi)合作。DQNN網(wǎng)絡(luò)只用較小的權(quán)重值（1 位到 8 位），并且可以包含混合結(jié)構(gòu)，即只有一部分層是二值化，而另一部分層則用位寬更高的浮點(diǎn)量化器。意法半導(dǎo)體和該大學(xué)的研究人員發(fā)表的研究論文論述了哪種混合結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生的結(jié)果，同時(shí)RAM 和 ROM的存儲(chǔ)占用空間。
    STM32Cube.AI 的新版本是這些研究活動(dòng)的直接成果。7.2 版確實(shí)支持深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，充分利用二值化層的高效，同時(shí)不會(huì)喪失運(yùn)算準(zhǔn)確性。開(kāi)發(fā)人員可以先用 QKeras 或 Larq 等開(kāi)發(fā)框架訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后再通過(guò) X-CUBE-AI處理訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。改用DQNN網(wǎng)絡(luò)有助于節(jié)省內(nèi)存占用空間，讓工程師能夠選用成本效益更好的芯片，或用一個(gè)微控制器代替多個(gè)元器件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。因此，STM32Cube.AI 繼續(xù)為邊緣計(jì)算平臺(tái)帶來(lái)更強(qiáng)大的推理能力。
    從演示軟件到市場(chǎng)趨勢(shì)
    如何開(kāi)發(fā)人數(shù)統(tǒng)計(jì)演示軟件？
    意法半導(dǎo)體和施耐德電氣近推出了雙方合作利用 DQNN開(kāi)發(fā)的一個(gè)人數(shù)統(tǒng)計(jì)演示軟件。該系統(tǒng)通過(guò)處理熱傳感器圖像數(shù)據(jù)，在 STM32H7 上運(yùn)行推理算法，來(lái)確定是否有人越過(guò)一條假想線(xiàn)，以及是從哪個(gè)方向進(jìn)出的。元器件的選擇非常引人注目，因?yàn)樗麚P(yáng)物料成本相對(duì)較低。施耐德沒(méi)有選用更昂貴的處理器，而是使用深度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)大幅降低內(nèi)存和 CPU 的占用，從而縮減了應(yīng)用系統(tǒng)面積，并為成本效益更高的解決方案打開(kāi)大門(mén)。兩家公司都在 2022 年 3 月的 TinyML 展會(huì)期間展示了該演示軟件。

    如何克服邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)的炒作問(wèn)題？

    意法半導(dǎo)體是家提供類(lèi)似STM32Cube.AI 解決方案的 MCU廠(chǎng)商，根據(jù) MLCommons 基準(zhǔn)測(cè)試，我們的工具的性能繼續(xù)名列前茅。從學(xué)術(shù)論文到軟件發(fā)布，的發(fā)展歷程表明，意法半導(dǎo)體之所以表現(xiàn)出色，是因?yàn)槲覀儍?yōu)先考慮有意義的影響實(shí)際應(yīng)用的研究活動(dòng)。我們關(guān)心的是讓 AI 變得實(shí)用且可用，而不只是一個(gè)時(shí)髦術(shù)語(yǔ)。Gartner的市場(chǎng)分析師預(yù)計(jì)，嵌入式 AI 開(kāi)發(fā)企業(yè)將很快經(jīng)歷“幻滅低谷期”。通過(guò)爭(zhēng)做業(yè)界龍頭，以研究為動(dòng)力，專(zhuān)注實(shí)際應(yīng)用和精心優(yōu)化，意法半導(dǎo)體克服了這一問(wèn)題。