嵌入式人工智能的應用與展望

西北民族大學 李瑞霞 馬伊棟 潘世生

人工智能技術最初級出現在人們的視野中是在1950年，浮浮沉沉地發展了50多年。隨著處理器技術的不斷發展，越來越多的人工智能技術和嵌入式技術一起作為各類應用出現在人們的生活工作中，嵌入式技術和人工智能技術的發展進入了全新的時代。

人工智能技術的研究可以追溯到20世紀50年代。在過去50多年的發展中，其一直不被大眾所了解，主要是因為其存在于科學家的實驗室中。而當今嵌入式技術的高速發展，很多領域都在使用嵌入式人工智能技術所帶來的產物，使得此兩種技術的使用價值不斷地提高，不但推動了人工智能技術的進一步發展，更加促進了嵌入式技術的發展。

1 人工智能及其發展

“人工智能”這個詞是在1956年的達特茅斯會議上由一位來自于美國的科學家約翰.麥卡錫提出的。如今，人工智能是一個涵蓋了廣泛內容的技術術語，它包含了各式各樣的處理服務，例如機器人技術、智能語言識別和在線翻譯技術等。人工智能一般被分為兩種，一種是可以解決特定的任務，另外一種是當機器拿到一個任務時，首先判斷對此項任務是否熟悉，如果對該任務不熟悉，則會尋找一個完美的解決方案。

人工智能第一次掀起熱潮是在1956年之后，在這不斷發展的十多年時間里，計算機在學科方面的應用也逐漸變得廣泛，例如應用其來解決幾何問題、用于解決語言方面出現的問題等。這些情況使得越來越多的學者對機器人逐步向人工智能發展成為現實增添了信心。到了上世紀70年代，人工智能出現了第一次低谷時期，在有關人工智能的項目研究中，科研人員對項目難度的預估值低于其實際所面臨的難度，這一現狀致使美國國防高級研究計劃署關于人工智能的合作計劃以失敗告終。而這個時候，社會輿論的壓力也逐漸向人工智能不斷逼近，使很多本來打算用于人工智能的研究經費被轉到了其他類型的項目上。

人工智能迎來第一次崛起是在1980年，Carnegie Mellon為數字設備公司設計了一套“專家系統”，卡內基梅隆大學給其取名為XCON，這是一種“知識庫+推理機”的組合，其主要應用的技術就是人工智能程序所開發的系統，XCON是一套計算機系統，它具有非常完備的計算機專業知識和經驗。但在維持7年的熱潮以后，人工智能的發展再一次回到了原點，專家以及學者都沒有預想過人工智能的發展周期不到十年又再一次落寞，這一次人工智能再一次被掩埋。而后從1991年開始，隨著人工智能技術在神經網絡方面的不斷發展，才使人工智能再次出現在人們的視野中，也使得人工智能技術進入了平穩發展時期。

隨著時間的推移，人工智能不斷地出現在大眾的視野中，越來越多的互聯網公司紛紛加入到人工智能的浪潮中，為爭取在人工智能領域的領先優勢而互相展開“廝殺”。這場“戰役”不僅使人工智能在市場中有了一席之地，同時也使得人工智能的發展更加地順暢。直到今天，人工智能依舊在以一種“流星”式的速度在發展。

2 嵌入式技術

自1956年以來，人類歷史上出現了第一臺現代意義上的電子計算機ENIAC，計算機技術發生了比較大的變化。隨著技術的不斷進步，計算機技術也在不斷發展，使其在我們的生活中無處不在；同時，嵌入式技術也在科技發展的浪潮中迅速地成熟，逐步加入到人們生活與工作中。

嵌入式即嵌入式系統，美國電氣和電子工程師協會把它定義為一種裝置，該裝置用于控制和操作機器和設備，其屬于一種專門用于某一方面的計算機系統。嵌入式系統目前應用的領域比較廣泛，例如：手機、錄音機、汽車、電腦等，這些設備都有一個共同的特點，就是都帶有接口，因此都使用了嵌入式系統。

所謂嵌入式就是將所需技術嵌入一個依托體中，其一般需要三個要素，首先是嵌入的技術或者可以說是“實體”；其次是平臺，將嵌入的“實體”放入一個平臺中來發揮它的價值；再次是接口，需要一個平臺和技術相關聯的接口，這三個要素才真正的組成了嵌入式系統。

嵌入式通用指令集的作用和PC指令集一樣，其一般授權主要來自于Arm、Mips等國外大型企業，它是作為一些通用計算和任務調度所存在的，它的性能和功耗之比很低。如果嵌入式僅僅依靠通用指令集做運算，那它的功耗、性能和PC巨頭X86指令集相差無幾，不能體現出嵌入式的優勢。因此，各大芯片廠商在通用指令集周圍增加各種行業專用的IP核來實現更專一更高效的功能。而上層軟件開發就會因為這些不通用的指令集變得比通用指令集的開發更為繁瑣，因為嵌入式指令集的不通用性，大大提高了嵌入式開發的復雜程度。

3 嵌入式人工智能的應用及未來發展

嵌入式人工智能不同于原有的人工智能，原有的人工智能需要進行聯網，把數據提交到云端數據中心進行計算，然后將計算結果返回。嵌入式人工智能，其可以不用連接互聯網，數據可以直接進行實時的人機交互和控制。

目前，嵌入式在移動互聯網、工業控制、智慧城市等方面應用廣泛；同時，在可穿戴設備、智慧交通、生物仿真、智能農業等方面也應用廣泛。市場的主要驅動力是嵌入式人工智能在各種終端用戶垂直領域的應用越來越多。隨著對自然語言進行處理所用到的技術的不斷改進而推動了大眾的消費，出現了嵌入式人工智能機器人和支持嵌入式人工智能的智能手機等新的領域。

從PC時代到手機時代以來，用戶接口都是透過屏幕或鍵盤來進行互動。隨著智能喇叭、自動駕駛系統等新技術逐漸進入人們的生活中，在不需要屏幕的情況下，人們也能夠輕松自在地與運算系統溝通。這表明嵌入式人工智能通過自然語言處理和機器學習，使技術更加直觀、更易于操作，并將在未來的用戶界面和用戶體驗上取代屏幕。嵌入式AI除了在企業的后端發揮重要作用外，還可以在技術接口方面發揮更重要的作用。嵌入式人工智能讓界面更簡單、更智能，為未來的交互設定了高標準。

在未來的發展中，嵌入式人工智能將結合很多技術一起使用。如AR，AR在未來離不開嵌入式人工智能；同時，嵌入式人工智能也離不開AR，用一個形象地比喻，AR相當于一個人，而嵌入式人工智能相當于人的心臟，兩者缺一不可。嵌入式人工智能和AR的結合，就是為機器人虛擬出一個不存在的世界讓機器人學習，這整件事情本身就是虛擬的。要做到這一點，需要更多更先進的新技術。在將來會出現更多的處理器為特定領域提供更強大的功能，但是其CPU是通用的，可以在任何場景中使用。而此時嵌入式人工智能就可以結合CPU，把功能發揮到最大。

4 嵌入式人工智能面臨的機遇和挑戰

4.1 人工智能嵌入式技術帶來新的機遇

在當今社會中，大眾的生活越來越離不開人工智能的發展，因此人工智能產業給嵌入式技術帶來了許多的機遇。目前，在大眾的生產生活中，城市交通、醫療服務和物流服務等都有人工智能的影子。隨著人類生活水平的提高，生活質量的要求越來越高，此時人工智能作為奠基石，為嵌入式技術的應用和發展提供了平臺。例如，在目前的生活中，逐漸智能化的火車站自動售票機，應用于各個領域的人臉識別系統、智能居家機器人、智能冰箱、交通監控、無人駕駛汽車等都是典型的嵌入式人工智能技術的產物，人工智能的發展規模為嵌入式的發展提供了機遇。

嵌入式發展至今已經有40多年了，目前其發展相對平穩，在其發展的每一個階段，嵌入式技術都會出現一次質的飛躍。

4.2 人工智能對嵌入式技術提出新的挑戰

第一，深度神經網絡對計算能力和資源的要求較高，這必然導致系統功耗的增加。如何平衡計算性能和能量消耗是一個很大的挑戰，需要依靠有限的計算能力和存儲資源來充分發揮神經網絡的功能并保證其準確性。

第二，在某些情況下，多個智能設備需要與邊緣設備甚至云端設備協作。如何動態的調度邊緣端和設備端的任務、如何實現設備間的任務協作，也為嵌入式人工智能帶來了不小的挑戰。

第三，嵌入式的人工智能設備，不但具有自主學習能力還具有執行能力，一旦這些設備受到攻擊，會導致非常嚴重的安全威脅。智能嵌入式系統的傳感器、數據和學習方法容易受到攻擊，如何防范這些攻擊是系統面臨的安全挑戰。