GenAI下沉到边缘侧，内存和性能如何平衡？

3月前

2022年底ChatGPT的横空出世，让所有人惊叹于自然语言处理聊天机器人（NLP）的能力，它们能够将简短的文本提示神奇地转换为连贯的类人文本，甚至包括论文、语言翻译和代码示例。科技公司也被 ChatGPT 的潜力深深吸引，纷纷开始探索如何将这项创新技术应用于自身产品和客户体验。

然而，与以往的AI模型相比，GenAI由于其更高的计算复杂度和功耗需求，带来了显著的“成本”提升。那么，GenAI 算法是否适用于对功耗、性能和成本都至关重要的边缘设备应用呢？答案是肯定的，但是不无挑战。

GenAI，下沉到边缘端潜力巨大

GenAI，即生成式人工智能（Generative AI），是一类可以生成各种内容（包括类人文本和图像）的机器学习算法。早期的机器学习算法主要专注于识别图像、语音或文本中的规律，并基于数据进行预测。而 GenAI 算法则更进一步，它们能够感知和学习规律，并通过模拟原始数据集按需生成新的规律。举个例子，早期算法可以预测某一图像中有猫的概率，而GenAI则可以生成猫的图像或详细描述猫的特点。

ChatGPT可能是当下最著名的GenAI算法，但并非唯一，目前已有众多GenAI算法可供使用，并且新算法也在不断涌现。GenAI算法主要分为两大类：文本到文本生成器（又名聊天机器人，如 ChatGPT、GPT-4 和 Llama2）和文本到图像生成模型（如 DALLE-2、Stable Diffusion 和 Midjourney）。图 1展示了这两种模型的示例。由于两种模型的输出类型不同（一种基于文本，另一种基于图像），因此它们对边缘设备资源的需求也存在差异。

图 1：文本到图像生成器 (DALLE-2) 和文本到文本生成器 (ChatGPT) 的 GenAI 输出示例

传统的GenAI应用场景往往需要连接互联网，并访问大型服务器群以进行复杂计算。然而，对于边缘设备应用而言，这并非可行方案。边缘设备需要将数据集和神经处理引擎部署在本地，以满足低延迟、高隐私、安全性和有限网络连接等关键需求。

将GenAI部署于边缘设备，蕴藏着巨大潜力，能够为汽车、相机、智能手机、智能手表、虚拟现实/增强现实 (VR/AR) 和物联网 (IoT) 等领域带来全新机遇和变革。

例如，将GenAI部署到汽车中，由于车辆并不总是受到无线信号覆盖，因此 GenAI 需要利用边缘可用的资源运行。GenAI的应用包括：

改善道路救援，并将操作手册转换为AI增强的交互式指南。
虚拟语音助手，基于GenAI的语音助手能够理解自然语言指令，帮助驾驶员完成导航、播放音乐、发送信息等操作，同时确保行车安全。
个性化座舱：根据驾驶员的喜好和需求，定制车内氛围照明、音乐播放等体验。

其他边缘应用也可能受益于GenAI。通过本地生成图像并减少对云处理的依赖，可以优化AR 边缘设备。另外，语音助手和交互式问答系统也可以应用于很多边缘设备上。

但是GenAI在边缘设备上的应用尚处于起步阶段，要实现大规模部署，需要突破计算复杂性和模型大小的瓶颈，并解决边缘设备的功耗、面积和性能限制问题。

挑战来了，如何将GenAI部署到边缘侧？

想要理解 GenAI并且将之部署到边缘侧，我们首先需要了解它的架构和运作方式。

GenAI 快速发展的核心是transformers，一种新型的神经网络架构，是Google Brain团队在2017年的论文中提出的。与传统的递归神经网络 (RNN) 和用于图像、视频或其他二维或三维数据的卷积神经网络 (CNN)相比，transformers在处理自然语言、图像和视频等数据方面展现出了更强大的优势。

Transformers之所以如此出色，关键在于其独特的注意力机制。与传统的 AI 模型不同，transformers更加关注输入数据中的关键部分，例如文本中的特定字词或图像中的特定像素。这种能力使transformers能够更准确地理解上下文，从而生成更加逼真和准确的内容。与 RNN 相比， transformers 能够更好地学习文本字符串中单词之间的关系，与 CNN 相比，可以更好地学习和表达图像中的复杂关系。

得益于海量数据的预训练，GenAI 模型展现出强大的能力，使他们能够更好地识别和解读人类语言或其他类型的复杂数据。数据集越大，模型就越能更好地处理人类语言。

与 CNN 或视觉转换器机器学习模型相比，GenAI 算法的参数（神经网络中用于识别规律和创建新规律的预训练权重或系数）要大几个数量级。如图2所示，用于基准测试的常见 CNN 算法 ResNet50 拥有2500万个参数，而一些 GenAI 模型（如BERT 和 Vision Transformer (ViT) ）的参数则高达数亿。

然而也有例外，Mobile ViT 是一种经过优化的 GenAI 模型，其参数数量可以和CNN模型 MobileNet 相媲美，这意味着它可以用于计算资源有限的边缘设备上。

图 2：各种机器学习算法的参数大小

由此可见，GenAI 模型功能虽强大，但也需要庞大的参数数量来支持。鉴于边缘设备的内存有限，嵌入式神经处理单元 (NPU) 怎样才能完成处理如此巨大参数数量的工作？

答案是它们无法完成。

为了解决这一难题，研究人员正在积极探索参数压缩技术，以减少 GenAI 模型的参数数量。例如，Llama-2 提供了700亿个参数的模型版本，甚至更小的 70 亿个参数模型。虽然具有 70 亿个参数的 Llama-2 仍然很大，但已经处于嵌入式 NPU能实现的范围内了。MLCommons 已将 GPT-J（一个具有 60 亿个参数的 GenAI 模型）添加到其 MLPerf 边缘 AI 基准列表中。

选择最快的内存接口很重要

GenAI 算法的强大功能背后，隐藏着对计算资源和内存带宽的巨大需求。如何平衡这两者之间的关系，是决定 GenAI 架构的关键因素。

例如，文生图往往需要更多的计算能力和更高的带宽支持，因为处理二维图像需要大量计算，但参数量相差不大（通常在亿范围内）。大型语言模型的情况较为不平衡，它们需要较少的计算资源，但需要大量的数据传输。即使是较小规模的语言模型（例如6-7亿参数的模型），也受到内存限制的影响。

解决这些问题的有效方法是选择更快的内存接口。从图3可以看出，边缘设备通常使用的LPDDR5内存接口带宽为51 Gbps，而HBM2E可以支持高达461 Gbps的带宽。使用 LPDDR 内存接口会自动限制最大数据带宽，这意味着，与服务器应用中使用的 NPU 或 GPU 相比，边缘应用给予 GenAI 算法的带宽将自动减少。我们可以通过增加片上 L2 内存的数量来解决这个问题。

图 3：LPDDR和HBM之间的带宽和功率差异

在ARC® NPX6 NPU IP上实现 GenAI

要针对GenAI等基于Transformer的模型实现高效的NPU设计，就需要复杂的多级内存管理。

新思科技的ARC® NPX6处理器具有灵活的内存架构，可支持可扩展的L2内存，最高可支持64MB的片上SRAM。此外，每个NPX6内核都配备了独立的DMA，专门用于执行获取特征图和系数以及编写新特征图的任务。这种任务区分可以实现高效的流水线数据流，从而最大限度地减少瓶颈并最大化处理吞吐量。该系列在硬件和软件中还具有一系列带宽节省技术，以最大化利用带宽。

Synopsys ARC® NPX6 NPU IP 系列基于第六代神经网络架构，旨在支持包括 CNN 和转换器在内的一系列机器学习模型。NPX6 系列可通过可配置数量的内核进行扩展，每个内核都有自己的独立矩阵乘法引擎、通用张量加速器 (GTA) 和专用直接内存访问 (DMA) 单元，用于简化数据处理。NPX6 可以使用相同的开发工具，将需要性能低于1 TOPS的应用扩展为需要数千TOPS的应用，从而最大限度地提高软件的重复使用。

矩阵乘法引擎、GTA 和 DMA 全都经过优化以支持转换器，使 ARC® NPX6 能够支持 GenAI 算法。每个内核的 GTA 都经过明确设计和优化，可高效执行非线性函数，例如 ReLU、GELU、Sigmoid。这些功能使用灵活的查找表方法加以实现，可预测未来的非线性函数。GTA 还支持其他关键操作，包括转换器所需的 SoftMax 和 L2 标准化。除此之外，每个内核内的矩阵乘法引擎每个循环可以执行 4,096 次乘法。由于 GenAI 基于转换器，因此在 NPX6 处理器上运行 GenAI 没有计算限制。

在嵌入式 GenAI 应用中，ARC NPX6 系列将仅受系统中可用LPDDR的限制。NPX6能够成功运行Stable Diffusion（文本到图像）和 Llama-2 7B（文本到文本）GenAI 算法，而其效率取决于系统带宽和片上SRAM的使用情况。虽然更大的GenAI模型也可以在 NPX6 上运行，但它们会比在服务器上实现的更慢（按照每秒令牌数测量）。

结论

随着行业各界人士不断探索新的算法和优化技术，以及IP厂商的助推，未来，GenAI 将彻底改变我们与设备交互的方式，为我们带来更加智能化、个性化和美好的未来。

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