在日常生活中，科技驅(qū)動(dòng)的體驗(yàn)在我們對(duì)科技的了解程度和其起源本身是兩回事。我們先想一下全球相當(dāng)一部分人的某種體驗(yàn)，再來(lái)看一種所有生物（包括無(wú)生命體）都有的體驗(yàn)來(lái)舉例說(shuō)明。

世界上大約有63%的人口接入互聯(lián)網(wǎng)（資料來(lái)源：Statista），其中大多數(shù)人都通過(guò)網(wǎng)頁(yè)體驗(yàn)互聯(lián)網(wǎng)。因此，在大眾的認(rèn)知中，“互聯(lián)網(wǎng)”與“網(wǎng)頁(yè)”幾乎是畫(huà)等號(hào)的。當(dāng)然，技術(shù)從業(yè)者們了解兩者的區(qū)別，但萬(wàn)維網(wǎng) (WWW) 是在何時(shí)以及何地發(fā)明的，他們或許記得，也或許早已遺忘。

如果沒(méi)有萬(wàn)維網(wǎng)的問(wèn)世，今天的互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)將截然不同。

所有生物100%會(huì)自動(dòng)體驗(yàn)到一種東西，那就是它們的“質(zhì)量”，大家時(shí)常將其與“重量”這個(gè)詞錯(cuò)誤地劃上了等號(hào)。當(dāng)然，那些還記得物理學(xué)知識(shí)的人能分辨這兩個(gè)詞的不同。盡管在普通物理學(xué)中，物質(zhì)的質(zhì)量被視為理所當(dāng)然的特性，但仍有一個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域嘗試解釋物質(zhì)的質(zhì)量究竟從何而來(lái)。而最終在人類發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子時(shí)，質(zhì)量賦予場(chǎng)才得到了證實(shí)。

歐洲核子研究組織 (CERN) 正是發(fā)明萬(wàn)維網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以及取得其他諸多非凡發(fā)明的幕后英雄。萬(wàn)維網(wǎng)是蒂姆·伯納斯·李于1989年發(fā)明的，彼時(shí)他正在CERN工作。2012 年，當(dāng)CERN發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子時(shí)，質(zhì)量賦予場(chǎng)的存在得到了證實(shí)。

CERN目前正在開(kāi)展一個(gè)饒有趣味的粒子物理項(xiàng)目，在這個(gè)項(xiàng)目中他們使用了CEVA的邊緣AI技術(shù)和解決方案。

本文將介紹這個(gè)項(xiàng)目以及該項(xiàng)目的啟動(dòng)初衷和開(kāi)展方式，并展示一些關(guān)于CEVA的邊緣AI技術(shù)相較于其他解決方案的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

什么是邊緣 AI？

邊緣AI指代那些部署在離數(shù)據(jù)中心（即云端）較遠(yuǎn)而更為靠近消費(fèi)者（即邊緣）的設(shè)備上的人工智能應(yīng)用。“邊緣”之名源自計(jì)算是在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)完成，而非在數(shù)據(jù)中心側(cè)進(jìn)行。邊緣 AI 智能技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，其好處也是不勝枚舉，例如提高性能、保障數(shù)據(jù)隱私、降低功耗等等。

什么是粒子物理學(xué)？

粒子物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，它涉及亞原子粒子的特性、關(guān)聯(lián)和相互作用。宇宙萬(wàn)物皆由粒子組成，粒子物理學(xué)的典型模型是描述電磁、弱核力和強(qiáng)核力以及對(duì)所有已知基本粒子進(jìn)行分類的理論。但夸克卻無(wú)法使用這種模型來(lái)解釋，盡管它是一種基本粒子，也是物質(zhì)的基本成分?？淇讼嗷ソY(jié)合，構(gòu)成復(fù)合亞原子粒子，也被稱為強(qiáng)子，而質(zhì)子和中子則是已知的強(qiáng)子中最穩(wěn)定的。

在宇宙誕生之初，所有粒子都以接近光的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榱Ｗ記](méi)有質(zhì)量。僅在粒子獲得質(zhì)量之后，恒星、行星和后來(lái)的生命才相繼誕生。與希格斯玻色子粒子相關(guān)的希格斯玻色子場(chǎng)是粒子質(zhì)量的來(lái)源，因此，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于粒子物理學(xué)領(lǐng)域意義非凡。有傳言說(shuō)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主萊昂·萊德曼曾經(jīng)將這種粒子稱為“那種該死的粒子”，強(qiáng)調(diào)檢測(cè)到這種粒子究竟有多難。

CERN擁有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC)，這是世界上體積最大、功能最強(qiáng)大的粒子加速器。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)由一個(gè)長(zhǎng)達(dá)27千米的超導(dǎo)磁體環(huán)組成，擁有大量的加速結(jié)構(gòu)，可提高途經(jīng)該磁體環(huán)的粒子的能量。在磁體環(huán)上行進(jìn)的過(guò)程中，一些點(diǎn)位可能會(huì)發(fā)生碰撞。在這些點(diǎn)位上均設(shè)有體積堪比建筑物的探測(cè)器，用來(lái)分析碰撞。其中一個(gè)探測(cè)器是CMS實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，這座探測(cè)器長(zhǎng)28.7米，直徑15米，重約14,000噸。來(lái)自47個(gè)國(guó)家/地區(qū)中206個(gè)科研機(jī)構(gòu)的4,000多人組建成CMS協(xié)作團(tuán)隊(duì)，共同建造了這座探測(cè)器，目前也在負(fù)責(zé)操控這座探測(cè)器。

邊緣AI與粒子物理學(xué)能有怎樣的交集？

盡管業(yè)界在各類面向消費(fèi)者的應(yīng)用中使用AI的新聞屢見(jiàn)不鮮，但對(duì)于在粒子物理學(xué)中使用AI技術(shù)的討論并不多。實(shí)際上，數(shù)十年來(lái)，AI一直在增強(qiáng)和改進(jìn)粒子物理學(xué)研究。例如，在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子時(shí)，就用到了作為AI算法基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。AI賦能物理學(xué)家讓他們能夠更好地基于強(qiáng)子碰撞碎片重建粒子并解析結(jié)果。

在與面向數(shù)據(jù)中心的解決方案相比上，邊緣AI還以卓越的能效著稱。高能耗是服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)的已知問(wèn)題之一，原因就在于其涉及到高強(qiáng)度硬件計(jì)算，并且有著全天候工作的特性。而粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)同樣需要全天候運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)和計(jì)算強(qiáng)度都很高，因此需要耗費(fèi)大量的帶寬和能源。基于邊緣AI硬件的解決方案可以壓縮運(yùn)行粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)所用的大量數(shù)據(jù)，因此從能效的角度考慮，也頗有吸引力。

CERN的粒子物理學(xué)項(xiàng)目

CERN在其項(xiàng)目中使用了世界上最大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和其他多種復(fù)雜的科學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)通常全天候運(yùn)行，粒子碰撞會(huì)生成大量數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，以至于無(wú)法存儲(chǔ)下來(lái)等待后續(xù)處理。每個(gè)交叉點(diǎn)產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)量約為1兆字節(jié)，在40 MHz的交叉速率下，每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到40太字節(jié)，實(shí)驗(yàn)儀器根本無(wú)法存儲(chǔ)這種量級(jí)的數(shù)量，更不必說(shuō)妥善處理。

全觸發(fā)系統(tǒng)可降低值得關(guān)注的事件的發(fā)生率，達(dá)到每1,000 個(gè)的可管理程度。由于所生成的大多數(shù)數(shù)據(jù)都沒(méi)有價(jià)值可言，AI處理算法需要高效、有效地即時(shí)處理數(shù)據(jù)，以決定哪些碰撞值得關(guān)注。實(shí)現(xiàn)AI算法的硬件解決方案必須具有出色的性能和極高的能效。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以40MHz的標(biāo)稱質(zhì)子間碰撞速率運(yùn)行，觸發(fā)系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)階段降低碰撞率：

i.第1級(jí)中 x400

ii.第2級(jí)中 x100

性能、功率和可擴(kuò)展性要求

當(dāng)前解決方案在處理所生成數(shù)據(jù)方面耗費(fèi)了太多的計(jì)算時(shí)間和能量，CERN還期望在不久的將來(lái)將碰撞率提高四倍。與此同時(shí)，處理算法在第2級(jí)中的延遲預(yù)計(jì)將提高十二倍。他們需要在性能和功耗方面更出色、更具可擴(kuò)展性的解決方案。

CEVA的邊緣AI解決方案

CERN希望將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比特表示減少到2比特，以減少帶寬和延遲。為了實(shí)現(xiàn)這樣的解決方案，需要專用的硬件，但市面上并沒(méi)有高效的AI硬件能支持2比特乘法。

在探索市面上的各種解決方案之后，在以色列創(chuàng)新局 (IIA) 的支持和贊助下，CERN決定與CEVA合作，以落地自身的需求。

CEVA是全球領(lǐng)先的無(wú)線連接、智能傳感技術(shù)以及集成IP解決方案的授權(quán)商，致力于打造更智能、更安全的互聯(lián)世界，提供數(shù)字信號(hào)處理器、人工智能引擎、無(wú)線平臺(tái)、加密內(nèi)核以及與傳感器融合、圖像增強(qiáng)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音輸入和人工智能相關(guān)的輔助軟件。

CEVA提出了一種深度學(xué)習(xí)解決方案，用于對(duì)噴注粒子進(jìn)行檢測(cè)和分類。在粒子物理學(xué)中，一個(gè)“噴注”(jet) 就是由一個(gè)夸克的強(qiáng)子化產(chǎn)生的強(qiáng)子和其他粒子構(gòu)成的窄錐體。雙方商定，CERN將開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)壓縮算法，而 CEVA將開(kāi)發(fā)低比特AI DSP內(nèi)核。

CEVA使用二進(jìn)制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (BNN) 和三元權(quán)重網(wǎng)絡(luò) (TWN) 的硬件來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，作為探索的一部分，CEVA成功在SensPro DSP中實(shí)現(xiàn)了。CEVA評(píng)估了2比特（三元表示法：-1、0、1）和1比特精度（二進(jìn)制表示法：0、1）的使用情況。BNN 加速塊被設(shè)計(jì)出來(lái)作為 SensPro內(nèi)核的一部分，用于分載 8x2（數(shù)據(jù) x 權(quán)重）和 2x2 卷積。典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)量子化通過(guò)實(shí)現(xiàn)8比特定點(diǎn)精度的算術(shù)計(jì)算來(lái)達(dá)到 x4 壓縮的效果。

但正如前文所述，CERN有著極高的延遲要求，因此要求權(quán)重為2比特。盡管他們計(jì)劃將來(lái)切換到8比特定點(diǎn)精度，但數(shù)據(jù)仍保持為32比特浮點(diǎn)格式。

輸入到物體探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的“圖像”通過(guò)將發(fā)射粒子的較低等級(jí)探測(cè)器測(cè)量值（1級(jí)）投射到圓柱形探測(cè)器（量熱計(jì)）上獲得。隨后通過(guò)展開(kāi)量熱計(jì)的內(nèi)表面獲得矩形圖像，量熱儀是一種用于測(cè)量化學(xué)反應(yīng)或其他過(guò)程所涉及的熱量或能量的設(shè)備。噴注圖像將通過(guò)量熱儀單元解析為像素，像素的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于該單元的能量沉積。圖像的x軸為碰撞角度，y軸為單元能量。

在開(kāi)發(fā)邊緣AI解決方案時(shí)，重點(diǎn)在于了解要使用哪些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)處理算法。CEVA提供了這方面的指導(dǎo)，并就如何正確表示數(shù)據(jù)和權(quán)重為CERN提供了建議，以確保部署順利進(jìn)行，并盡可能的使誤差最小化。CERN在考慮到了CEVA關(guān)于實(shí)際硬件部署的所有相關(guān)意見(jiàn)后，建立了一種量子化感知訓(xùn)練算法。量子化感知訓(xùn)練有助于在不影響準(zhǔn)確性的前提下，實(shí)現(xiàn)較低精度的訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署。

CEVA基于SensPro的邊緣AI解決方案的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

結(jié)果超越了所有現(xiàn)存的算法解決方案。參考下面的“精度-查全率”曲線，精度 (PPV) 衡量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，而查全率 (TPR) 衡量正向預(yù)測(cè)的質(zhì)量?？傮w而言，這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了所找到的噴注集與預(yù)期應(yīng)找到的噴注集的對(duì)應(yīng)程度。

CEVA的DSP內(nèi)核超越了GPU和CPU解決方案的表現(xiàn)。參考下表，比較這些內(nèi)核在晶片面積、功率和延遲方面的表現(xiàn)。該表的第二行顯示了基于CEVA SensPro 的解決方案與Nvidia Tesla V100 GPU內(nèi)核的同類比較。

”

邊緣AI解決方案不僅適用于面向消費(fèi)者的邊緣設(shè)備應(yīng)用，即使對(duì)于研究宇宙起源的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這類解決方案也卓然有效。CEVA為粒子物理學(xué)領(lǐng)域首屈一指的研究機(jī)構(gòu)CERN開(kāi)發(fā)的基于SensPro的邊緣解決方案就印證了這一點(diǎn)。

關(guān)于CEVA

CEVA 是排名前列的無(wú)線連接和智能傳感技術(shù)以及集成 IP 解決方案授權(quán)商，旨在打造更智能、更安全、互聯(lián)的世界。我們?yōu)閭鞲衅魅诤?、圖像增強(qiáng)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音輸入和人工智能應(yīng)用提供數(shù)字信號(hào)處理器、人工智能處理器、無(wú)線平臺(tái)、加密內(nèi)核和配套軟件。這些技術(shù)與我們的 Intrinsix IP 集成服務(wù)一起提供給客戶，幫助他們解決復(fù)雜和時(shí)間關(guān)鍵的集成電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目。許多世界排名前列的半導(dǎo)體廠商、系統(tǒng)公司和OEM利用我們的技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)技能，為移動(dòng)、消費(fèi)、汽車、機(jī)器人、工業(yè)、航天國(guó)防和物聯(lián)網(wǎng)等各種終端市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高能效、智能、安全的互聯(lián)設(shè)備。

我們基于 DSP 的解決方案包括移動(dòng)、物聯(lián)網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施中的 5G 基帶處理平臺(tái)；攝像頭設(shè)備的高級(jí)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)；適用于多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的音頻/語(yǔ)音/話音應(yīng)用和超低功耗的始終開(kāi)啟/感應(yīng)應(yīng)用。對(duì)于傳感器融合，我們的 Hillcrest Labs 傳感器處理技術(shù)為耳機(jī)、可穿戴設(shè)備、AR/VR、PC機(jī)、機(jī)器人、遙控器、物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)提供廣泛的傳感器融合軟件和慣性測(cè)量單元 (“IMU”) 解決方案。在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)方面，我們的藍(lán)牙(低功耗和雙模)、Wi-Fi 4/5/6/6E (802.11n/ac/ax)、超寬帶(UWB)、NB-IoT和GNSS 平臺(tái)是業(yè)內(nèi)授權(quán)較為廣泛的連接平臺(tái)。

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