情境感知AI：利用FPGA技术增强边缘智能

网络边缘人工智能——即在边缘设备端部署AI模型进行本地化算法处理，而非依赖云端等集中式计算平台——已成为人工智能领域发展最快的方向之一，受到业界高度关注。据测算，2024年网络边缘AI市场规模约为210亿美元，预计到2034年将突破1430亿美元。这一增长态势表明各行业将持续加大基于AI的边缘系统研发投入。

网络边缘AI的应用前景广阔且充满创新机遇，涵盖自动驾驶汽车、智能家居设备、工业自动化机械等多个领域。但开发者在实践中需要应对硬件限制、功耗优化和处理复杂度等独特挑战。例如，设计人员必须确保嵌入式AI模型在保持紧凑体积的同时具备足够算力，能够直接在边缘设备端解析实时情境信息。这要求系统在延迟控制、带宽效率、运算精度和可持续性等性能指标上达到最优平衡，同时还要保障数据隐私安全并降低网络威胁风险。

网络边缘应用的演进正与情境智能的发展同步推进。情境智能旨在从数据所处的环境、关联关系及交互场景中理解其含义，这就催生了情境边缘AI。该技术通过在网络边缘设备端运行AI模型，使系统能够处理环境数据、持续学习并优化性能。例如，智能设备通过视觉、听觉等多种感知模态理解周边环境，这种对情境数据的高效处理能力，是实现网络边缘设备功能目标和提升用户体验的关键。随着边缘端处理的数据量激增，这些设备需要更高算力支撑。

现场可编程门阵列（FPGA）的灵活性、现场升级能力和互操作性，结合其低功耗、低延迟和并行处理能力，使其成为开发者克服挑战并优化情境边缘AI应用的关键工具。

通过直接分析网络边缘设备上的情境数据，系统可以做出更智能的实时决策，推动用户与设备之间建立更紧密的共生关系。例如，智能电脑显示器可以利用视觉传感器安全收集的用户存在数据，在用户转向屏幕时打开，在用户离开时关闭，从而优化电源使用时长。智能蜂窝设备同样可以利用面部或指纹识别技术，安全地检查生物特征或用户视觉数据，访问用户凭证，登录安全应用程序。

虽然用户已经开始期待借助情境边缘AI实现这些无缝、个性化的体验，但开发人员可能会面临各种开发挑战。这些挑战包括：

• 复杂性
  随着企业尝试进一步简化人机界面，边缘传感器收集的情境数据也变得越来越复杂。这就要求AI模型和硬件既能处理更高的工作量，又能保持效率。网络边缘AI还需要灵活性，因为模型和硬件可能需要定期更新，以应对不断变化的情境数据。边缘人工智能还可能涉及TinyAI模型的使用，其压缩算法更适合在网络边缘场景下实现高性能，包括可穿戴设备、环境监测远程传感器、工业物联网应用中的质量控制等。即便如此，TinyAI模型也需要足够的电源和系统支持才能有效运行。

• 互操作性
  为了获得尽可能多的相关情境智能，边缘网络通常包括各种传感器、处理器、网关和服务器。这些组件都需要有效地相互通信来支持实时结果。网络边缘设备必须能够处理不断增长的AI工作负载，同时还能与网络中的其他设备（无论是现有组件还是第三方硬件和软件）协同运行。如果没有灵活的硬件，传感器、边缘设备和数据分析接收者之间的连接将变得不可靠。

• 功耗
  先进的人工智能模型需要大量能源才能运行，研究人员预计，从2023年到2030年，人工智能相关的耗电量预计每年将增长高达50%。因此稳定、节能地向模型输送能源至关重要。如果在配置时不考虑效率，边缘部署很可能会出现能源消耗过剩、成本上升，并导致网络边缘AI操作的执行与结果之间出现较大延迟。

只有考虑到这些挑战，并积极主动地加以克服，开发人员才能利用情境边缘AI改善用户体验。

莱迪思FPGA经配置可执行特定的AI任务，使开发人员能够根据不同的环境定制应用，并处理特定的边缘数据。这有助于优化边缘AI应用，实现最高的效率和可靠性，同时保持FPGA的灵活性，支持不断发展的AI模型。FPGA还配备了可定制的I/O接口，支持跨设备和环境（如摄像头、雷达、环境传感器）连接到各种边缘人工智能应用，并实现更简化的互操作性。

莱迪思sensAI解决方案集合还进一步支持和加强了这种定制化。莱迪思sensAI能够采用在行业标准AI框架（如TensorFlow、Caffe和Keras）中训练的模型，通过模型量化、修剪和稀疏性利用等技术，使其能够在FPGA资源上运行。然后，莱迪思的神经网络编译器可以分析模型，并根据电路和片上网络的类型提出最高效的运行建议。此外，莱迪思Propel和莱迪思Radiant设计软件可用于创建合适的电路组合，以尽可能高能效的方式加速这些模型的运行。

莱迪思FPGA还极大降低了传感器数据采集和处理之间的延迟，为用户带来更快的响应和更高的性能。在传输到AI模型或中央计算引擎之前，数据可以在FPGA上完成预处理和聚合任务，这有助于减少网络边缘设备的压力，进而降低功耗。

各行各业都可以利用莱迪思FPGA克服资源限制、功耗、连接性和可扩展性方面的挑战。这些可编程器件实现的实时数据处理和预测，对于工业设备、医疗设备、汽车和机器人领域的应用至关重要。FPGA的适应性可以量身定制人工智能解决方案，满足各种环境的特定需求，确保最佳性能和可靠性。

了解更多有关莱迪思如何在网络边缘实现情境AI的信息，请立即联系我们的团队，并观看Dell在最近的莱迪思开发者大会上的演讲：《边缘设备中AI情境感知的未来》。

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