當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。
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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。
當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray
第一個不好是物理限制:「延遲」。 即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。
第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。 如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。 所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!
邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌
知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!
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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。
以研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。
這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技
此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。
當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray
模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡
建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。
這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。
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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。
知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」
想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。
但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。
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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵
像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?
三、可靠性 SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。
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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技
人工智慧(簡稱 AI)技術日新月異,不只打敗人類圍棋高手,現在更用在醫療、交通、金融、資安各領域,遍佈了你我的日常生活。中央研究院資訊科學研究所副研究員蘇黎讓 AI 又多了一項新技能:自動化音樂展演。「虛擬音樂家系統」創造出具有動畫形象的虛擬人物,配合真人一同演出,而且演奏動畫和音樂伴奏皆可自動產生。未來,經營 VTuber(虛擬 YouTuber)背後可能不再需要龐大製作團隊,只要專注在企劃和劇本,其他讓 AI 幫你一鍵生成!
蘇黎與研究團隊開發的虛擬音樂家系統。圖/研之有物、Unsplash(資料來源:蘇黎)
真實與虛擬合奏的貝多芬小提琴奏鳴曲
虛擬音樂家系統,這是蘇黎與其團隊最近的研究成果,他將 AI 應用到音樂表演現場,並試圖推展到整個多媒體產業。這套系統已實際在舞台演示,並與多個音樂展演團隊合作,包括:沛思文教基金會、清大 AI 樂團、長笛家林怡君、口口實驗室等。
「音樂追蹤器採用多執行緒線上動態時間校正(online dynamic time warping)演算法,每一個執行緒在最短時間內各自計算並取平均值,以找出最貼近該音樂家當下演奏速度的數值。」蘇黎解釋,追蹤器抓到現場演奏速度後拿來跟參考音樂檔案比對,就能推測多久後會演奏下一個音。至於位置估算單元,則是用來估計當下已演奏到整個樂譜的哪個位置。
真人音樂家演奏時,不論是情感的表達、與其他合奏者及觀眾互動、還有操作樂器的動作等,都存在個人差異,沒有一套固定標準。例如拉琴的手勢,10 個音樂家可以有 10 種不同的習慣。因此蘇黎與研究團隊採取的方法是:取得大量影音資料,讓 AI 學習如何製造虛擬音樂家的肢體動作。
首先,徵求多位專業小提琴演奏者,穿上有標記點的特殊衣服,站在有動態捕捉裝置的空間中,演奏不同風格曲目。蘇黎使用的 3D 動作偵測技術,會偵測音樂家全身骨骼的關節點,作為虛擬音樂家動畫生成的訓練資料,並在訓練動畫生成模型的過程中,重點關注持弓的右手如何移動。
透過 U 型網路、自注意力機制等核心技術,來輸出虛擬音樂家動態肢體影像。
在訓練 AI 與生成動畫影像的過程中,需要卷積神經網路來協助完成工作。蘇黎團隊採用的模型是 U 型網路(U-net),負責圖像之間的轉換,由編碼圖層傳到解碼圖層。它的優點是速度快,而且輸入輸出格式相對容易設計,能一次輸出大量資料點。「 U-net 可以一次輸出單一時間的所有肢體骨架點,而非一個一個骨架點逐步輸出。」蘇黎說。
除此之外,還有自注意力(self-attention)機制,讓 AI 學習判斷肢體動作與音樂的相關性。因為肢體動作跟音樂都是序列形式,有時間上的關聯性,假設真人音樂家某個動作在大鼓響起時一直出現,就會判定兩者存在關聯。之後自注意力機制在虛擬動作生成過程中,只要聽到該音樂的大鼓聲出現,就會發出明顯訊號,認為此時要搭配相應的肢體動作。
簡單來說,想要自動化生出虛擬小提琴家,不僅聲音要到位,動畫也要足夠精準。音樂需要自動伴奏系統,即時追蹤真人演奏者的進度並觸發伴奏;而相應的肢體動作,則有賴透過 U 型網路與自注意力機制,讓 AI 在音樂現場了解此時要搭配何種動作。
自動生成聲音和影像後,研究團隊還有一個更進階的目標。「我們想讓機器聽到某一首歌,就聯想到一幅畫。但坦白講,這種音樂到視覺風格轉換(music-to-visual style transfer)非常困難。」蘇黎說。當初有學生向他提出這個構想,想要訓練 AI 將音樂與畫面連結。只是這設定一開始就困難重重,因為最重要的訓練資料幾乎是無法取得。
AI 並非無中生有,機器學習有賴龐大、高品質的資料。
想要讓 AI 學習聽音樂聯想畫面,就必須要有真人示範,聆聽音樂並畫出心中所浮現的畫面來當作訓練資料。找人聽音樂不難,但找來的人未必善於繪畫;即使花大錢請畫家參與實驗,人少沒有代表性,人多則風格又可能大相逕庭。「演奏動作還有跡可循,但大家聽音樂腦補的畫面都不一樣,這樣是沒辦法當作訓練素材的。」蘇黎點出其中關鍵。
蘇黎團隊風格轉換的案例,透過共享語義標註,在電腦聽到印象樂派作曲家德布西的音樂(Sarabande in Pour le piano, L. 95(1901))之後,原本為巴比松畫派的圖像(The Lake Her Lone Bosom Expands to the Sky(1850)),會轉換成印象畫派風格。圖/蘇黎(Crossing You in Style)
「像鋼琴這類樂器的話,是音樂進去《Omnizart》,生出 MIDI;而人聲進去會輸出成供電腦判讀的數位資料。」蘇黎解釋,透過這些數字化的音訊數據能了解每一瞬間的音高變化,或是泛音、抖音等手法。研究自動採譜 AI 是因為,蘇黎想探究如蕭邦的夜曲等,這些百年來不斷被重複演奏超過千百次的古典樂,在不同時代、風格迥異的音樂家手中究竟是如何被詮釋。
而這次蘇黎用 AI 創造虛擬音樂家系統,同樣也是源於本身對音樂的喜愛與好奇。不是科班出身的他能彈奏鋼琴、吉他,會吹小號,喜歡聽經典的古典樂。對蘇黎來說,興趣是驅使研究向前的一大動力,他認為身為研究者必須要時常探索新的領域,因此常會要求自己不斷接觸世界各國的在地歌謠。
蘇黎的下一步,是以現有虛擬音樂家系統為基礎,加入更多細膩動作(例如臉部表情)的虛擬多人樂團。他也坦言目前自動伴奏系統、肢體生成還有風格轉換這三項技術,都還有很大的進步空間。想訓練電腦產生出更貼近真人演奏者動作的虛擬音樂家,必須花大量人力取得更多影片資料。「民眾常以為不用多做什麼 AI 就會自己學習,但真相是沒有夠好的資料什麼都不用談。」蘇黎解釋,AI 研究者的時間幾乎都耗在蒐集資料上。
AI 出現之後,自然也面臨許多批判,例如工作是否會被 AI 取代,甚至以 AI 操控虛假言論或用在軍事用途,但蘇黎覺得,主導權終究還是躲在背後操作的「人」。同樣,隨著虛擬音樂家系統日漸完善,真人音樂家是否擔心未來飯碗被搶走?令人意外的是,蘇黎說身邊最期待這個系統的反而就是與他合作的藝術家,「別小看他們,藝術家可是一群勇敢、期待新事物、信仰未來的人。」