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利用边缘运算节约能源和提升永续性
[作者 意法半導體]   2023年11月16日 星期四 浏览人次: [2623]

物联网(IoT)和人工智慧(AI)正在改变产业和社会。它们将自动化在日常生活中变为可能,同时解锁过去难以做到的洞察力和功能。边缘运算可以在产生数据的地方即时处理数据,而不须在远端的数据中心处理,这提供了一个更环保、更智慧的解决方案。


将AI移至边缘


图一 : 边缘运算可以在产生数据的地方即时处理数据,提供一个更环保、更智慧的解决方案。
图一 : 边缘运算可以在产生数据的地方即时处理数据,提供一个更环保、更智慧的解决方案。

自21世纪初以来,感测器经历了非比寻常的发展。受益於物联网的诞生,可以连线通讯的智慧感测器无所不在。预计到2030年,因5G的广泛部署,物联网装置上数十亿感测器将负责30%的物联网数据流量。这将显着增加AI对於碳的影响。而由於其需要数据中心的运算资源来将数据转化为洞察力和行动力,因此IoT和AI应用程式过去通常都部署在云端。但随着应用程式数量增加,我们需要减低依赖耗电的云端运算。


边缘运算提供了一个解决方案。它涉及将部分储存和运算资源从数据中心移出,使其更靠近数据产生的地方。如此一来,应用程式和装置就能自行收集和分析数据。这种方法为消费性产品、建筑管理、工业预测性维护、自驾车等应用提供进一步的创新,因此更为蓬勃发展。此外,边缘运算还能降低能源消耗、保护个人资料、减少延迟,并能在使用时做自主决策以及学习。


「边缘AI」促进产业发展更聪明、更环保

边缘运算正以多种方式帮助不同产业变得更为聪明和更环保。举例来说:


● 在工厂中的状态监控和预测性维护可以使操作更聪明、更节能。感测器定期更新机器的运作状态,以确定何时需要维修或更换某些零件。这降低了停机时间,确保机器能在最隹状态下运作。


● 边缘AI对於下一代协作机器人(cobots)也是至关重要的,这些机器人可与人类在同一空间运作以提升效率和确保安全。


智慧城市可以利用数百万个智慧感测器和物联网节点所组成的网路来改善监控、管理资源、协助市民,并利用自驾无人机和车辆改善物流。


● 让开车变得更安全、更环保和更多连结。安装在下一代汽车上的众多感测器需要本地AI来让车辆可以在潜在危及生命的情况迅速做出反应。此外,边缘AI可以用於优化电池管理系统,并调整车辆状态以适应驾驶者的习惯,确保能以节能的方式驾驶车辆。


● 将自动化导入农业可以协助提升生产力并降低环境影响。智慧农业的农耕车和机器将使用更少量的水、肥料和农药来促进永续策略。感测器结合边缘AI,可为不同植物分配适量的水或化学物质。


● 随着医疗和保健迈向个人化的方向发展,全天候监测和在家中享有医疗服务将是未来趋势。感测器和边缘AI在资讯隐私管理亦扮演着关键角色。


上述范例都会产生大量来自感测器的数据,如果这些数据传送到云端处理将会消耗大量能源和占用频宽,同时还会产生数据保护和延迟的相关问题。采用边缘运算与人工智慧提供了一种透过永续方式达到这些目标的方法。



图二 : 边缘AI对於下一代协作机器人至关重要,这些机器人可与人类在同一空间运作以提升效率和确保安全。
图二 : 边缘AI对於下一代协作机器人至关重要,这些机器人可与人类在同一空间运作以提升效率和确保安全。

加速追踪边缘运算

将AI的数据处理从云端移转至边缘需要部署一系列半导体创新技术,包括超低功耗技术和系统方法,以及在神经处理单元(NPU)和记忆体内运算(IMC)解决方案中导入特定的硬体加速器。这些支援AI和机器学习的高效运算硬体技术,正在转变边缘数据处理,并推动智慧功能和物联网网路的可扩充性。这些技术的结合降低了系统功耗和频宽需求,还能进一步提升针对边缘装置所打造之新一代微控制器的运算效率。


意法半导体(ST)致力於优化运算效率,同时采用低功耗和嵌入式安全技术来保护所收集的数据、数据处理和因此产生的行动。这些发展是为了保有竞争力和获得客户广泛之接受度的必要条件。


ST已经在汽车、智慧工业和物联网等应用领域大力部署边缘AI。STM32系列的32位元Arm Cortex微控制器已将适合边缘运算的低功耗版本涵盖其中。为了让不熟悉AI的人更容易上手,NanoEdge AI Studio整合了机器学习函式库,可以为任何指定的应用自动搜寻和配置最适合的解决方案。对於熟悉AI模型的人,STM32Cube.AI可协助机器学习工程师快速导入和优化其AI解决方案,并使用进阶功能,如自定义层和深度量化神经网路解决方案。而建立的韧体函式库还可以加载到微控制器上,进而处理推理工作。


ST於2019年推出具有机器学习核心的LSM6DSOX,开始在感测器中应用人工智慧。接着推出智慧感测器处理单元(ISPU),强化感测器在AI领域的灵活性。


ISPU将讯号处理和AI算法结合到感测器上,使产品能够感知、处理和执行後续操作,同时大幅节省空间,功耗最高可降低80%。


能够感知、处理和采取行动的连网微型化物件和系统的数量正在快速成长。ST透过提供感测器、智慧嵌入式致动器、连接性、安全性和嵌入式AI上的创新来推动此一转型。这些解决方案旨在为工业、汽车、健康、农业和其他许多产业提供工具集,使其能够继续创新,同时努力为减碳而做出贡献。


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