云計(jì)算幾年前非常流行，但是當(dāng)所有應(yīng)用落地，海量數(shù)據(jù)涌入云之后，相應(yīng)的問(wèn)題也隨之而來(lái)，處理速度慢、時(shí)延長(zhǎng)，所以邊緣計(jì)算成為研究熱點(diǎn)。其實(shí)邊緣計(jì)算起源于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，它的作用體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中云計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其初衷是為了將一些無(wú)需上傳到云的計(jì)算留在遠(yuǎn)端處理。那么在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，邊緣計(jì)算會(huì)起到哪些作用？嵌入式工程師又該如何利用好這一技術(shù)呢？

業(yè)界聲音

物聯(lián)網(wǎng)是邊緣計(jì)算的推手

嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)秘書長(zhǎng)

何小慶

美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍崧教授在“Edge Computing:Vision and Challenges”一文中給了邊緣計(jì)算這樣的定義：“邊緣計(jì)算是指一種可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣完成的計(jì)算技術(shù)，這樣的技術(shù)和平臺(tái)在云和IoT 設(shè)備之間上傳和下載數(shù)據(jù)，以平衡系統(tǒng)計(jì)算、實(shí)時(shí)性、功耗和安全等方面的要求”。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的巨頭GE公司指出：“邊緣”指的是靠近數(shù)據(jù)源存在的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，例如工業(yè)控制器和來(lái)自各種設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)集合，這些設(shè)備通常遠(yuǎn)離云計(jì)算中心。

國(guó)外的研究報(bào)告顯示，邊緣計(jì)算目前主要在以下兩個(gè)領(lǐng)域發(fā)展：第一是通信和工業(yè)相關(guān)的項(xiàng)目，比如5G 虛擬化網(wǎng)關(guān)、無(wú)線訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)、5G-CORAL（結(jié)合了電信邊緣計(jì)算和霧計(jì)算的研究成果）。第二是智能 IoT 網(wǎng)關(guān)，比如Bosch（Prosyst gateway software）、Siemens（IoT2000 gateways）、Microsoft（Azure IoT Edge）、Amazon（Greengrass 和Snowball Edge）。開源的邊緣計(jì)算項(xiàng)目也很活躍，比較著名的有EdgeX Foundry（IoT gateway）和ParaDrop（威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校）。

嵌入式企業(yè)非常重視邊緣計(jì)算。NXP推出EdgeScale平臺(tái)和Edge-Box開發(fā)套件，為邊緣計(jì)算提供從高性能嵌入式處理器芯片、開源軟件操作系統(tǒng)到云端和安全支持。arm推出了Mbed Edge，Mbed Edge與ARM mbed Cloud 和Mbed OS 組成支持邊緣計(jì)算的IoT整套解決方案。***研華推出EIS智能邊緣服務(wù)器和WISE-PaaS/EdgeSenser的邊緣網(wǎng)關(guān)，后者集成了Mbed OS和Mbed Edge，以及NXP邊緣嵌入式處理器，EIS 內(nèi)置了微軟的Aure IoT Edge 服務(wù)。

需要注意的是，邊緣計(jì)算設(shè)備一般會(huì)安裝在系統(tǒng)傳感和執(zhí)行端，多數(shù)邊緣計(jì)算設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)。但從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)看，邊緣計(jì)算設(shè)備是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，不能單獨(dú)存在，需要云計(jì)算和人工智能技術(shù)的支撐和服務(wù)。

邊緣計(jì)算技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)目前均處在初期階段，云計(jì)算、通信設(shè)備和嵌入式企業(yè)非常關(guān)注， 物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是邊緣計(jì)算興起的最大推手。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大致分成兩個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期是從互聯(lián)走向智能，第二個(gè)時(shí)期從智能走向自治。目前多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目還處于第一個(gè)時(shí)期，進(jìn)入第二個(gè)時(shí)期邊緣計(jì)算將發(fā)揮重要作用，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年邊緣計(jì)算將迎來(lái)快速發(fā)展的新階段。

嵌入式系統(tǒng)和邊緣計(jì)算的價(jià)值和未來(lái)

日海智能科技股份有限公司

首席技術(shù)官 鄒俊

邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計(jì)算和分布式處理能力，使得數(shù)據(jù)處理和相關(guān)的應(yīng)用靠近數(shù)據(jù)發(fā)生的地方，有低延時(shí)，快捷響應(yīng)和節(jié)省流量等特點(diǎn)，和云計(jì)算形成互補(bǔ)。

邊緣計(jì)算起到的作用主要有如下幾個(gè)方面：第一就近處理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。邊緣計(jì)算和邊緣計(jì)算應(yīng)用分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣，相對(duì)于云計(jì)算而言，靠近數(shù)據(jù)，甚至離數(shù)據(jù)僅有一跳的距離，其優(yōu)勢(shì)是能夠就近對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而降低延時(shí)；第二減少傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的。據(jù)IDC等咨詢機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，將來(lái)的數(shù)據(jù)有20%到40%會(huì)由邊緣計(jì)算處理。在邊緣側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比如最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)過(guò)濾，就能很好的降低數(shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的壓力，也能達(dá)到降低數(shù)據(jù)傳輸成本和存儲(chǔ)成本。第三避免單一瓶頸和單一故障。由于邊緣計(jì)算和邊緣計(jì)算應(yīng)用是分布式的，這樣就降低甚至避免出現(xiàn)的業(yè)務(wù)瓶頸和單點(diǎn)故障。

由于邊緣計(jì)算分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣，邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)資源和云計(jì)算／數(shù)據(jù)中心相比是有限的，所以邊緣計(jì)算和邊緣計(jì)算應(yīng)用就天然的使用到了嵌入式計(jì)算和嵌入式硬件單元。嵌入式系統(tǒng)可以在邊緣計(jì)算上承擔(dān)以下幾個(gè)作用：

1.數(shù)據(jù)過(guò)濾

物體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是大量的，而這些數(shù)據(jù)中，有很多的數(shù)據(jù)是無(wú)用的，是數(shù)據(jù)中的雜音。一些簡(jiǎn)單的計(jì)算處理，就能過(guò)濾到大量這樣的數(shù)據(jù)。比如，溫度傳感器可以定時(shí)采集數(shù)據(jù)并上報(bào)。在最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景下，只需要關(guān)注異常情景就可以了。所以，在邊緣計(jì)算上，一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值比較，就可以過(guò)濾掉絕大多數(shù)數(shù)據(jù)。這樣簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)過(guò)濾功能，可以很好的應(yīng)用嵌入式技術(shù)對(duì)資源要求低的特點(diǎn)，在邊緣進(jìn)行處理。

2.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

邊緣計(jì)算可以對(duì)在某個(gè)地理范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，把分析結(jié)果傳輸?shù)皆贫恕ｎ愃频墓δ芤部梢岳们度胧接?jì)算進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而使得分析結(jié)果貼近數(shù)據(jù)。

3.復(fù)雜事件處理(CEP)

CEP是相對(duì)成熟的技術(shù)。當(dāng)CEP和嵌入式系統(tǒng)結(jié)合，可以作為邊緣應(yīng)用對(duì)事件實(shí)現(xiàn)就近快速處理，從而大大提高對(duì)事件的反應(yīng)速度。

4.人工智能應(yīng)用

云計(jì)算是催生人工智能快速發(fā)展的重要推動(dòng)力。但是，把所有人工智能都放在云端，很難達(dá)到對(duì)緊急事件的實(shí)時(shí)處理，比如自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。誠(chéng)然，人工智能的訓(xùn)練需要大量的計(jì)算資源，邊緣計(jì)算很難承載。但是，越來(lái)越多的人工智能的推理可以在邊緣實(shí)現(xiàn)，使得人工智能應(yīng)用作為邊緣計(jì)算應(yīng)用，具備快速反應(yīng)的能力。所以，如何將人工智能推理和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，也是一個(gè)很重要的課題和發(fā)展方向。

基于以上技術(shù)，日海智能科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱：日海智能）在今年六月在上海世界移動(dòng)通信大會(huì)上發(fā)布了全球首款AIoT移動(dòng)智能計(jì)算終端MICD (Mobile Intelligent Computing Device)產(chǎn)品，該產(chǎn)品是人工智能、邊緣計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算的完美結(jié)合。關(guān)于該產(chǎn)品的詳情可參見如下相關(guān)報(bào)道（鳳凰網(wǎng)報(bào)道http://tech.ifeng.com/a/20180703/45047508_0.shtml等）。

日海智能成立于2004年，致力于成為人工智能物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。日海智能為國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商、ICT設(shè)備商、系統(tǒng)集成商以及各行業(yè)用戶提供行業(yè)領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)“云+端”、云視頻、數(shù)據(jù)中心、無(wú)線通信、有線寬帶及新能源節(jié)能產(chǎn)品及解決方案。自2016年起著眼于全球戰(zhàn)略布局，實(shí)施積極主動(dòng)的外延式發(fā)展，通過(guò)先后并購(gòu)模組廠商“龍尚科技”與“芯訊通”，一舉成為全球模組出貨量份額最高的人工智能物聯(lián)網(wǎng)公司，同時(shí)引入全球物聯(lián)網(wǎng)安全級(jí)別最高的Ayla云平臺(tái)（國(guó)內(nèi)首例獲得SOC等級(jí)三級(jí)），賦予創(chuàng)新人工智能技術(shù)，成為全球首家具備人工智能的“云+端”生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)公司。

邊緣計(jì)算讓物聯(lián)網(wǎng)更加智能

Imagination Technologies連接與智慧家庭總監(jiān)

Simon Forrest

在一個(gè)由無(wú)數(shù)智能網(wǎng)聯(lián)設(shè)備組成的世界中，人們普遍認(rèn)為，可用的通信信道將很快被這些設(shè)備所能夠產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)撐滿。這顯然是不可持續(xù)的，并且需要采取不同的方法。通過(guò)采用邊緣計(jì)算，使人們認(rèn)識(shí)到并不是所有數(shù)據(jù)都需要傳送到一個(gè)中央服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)通過(guò)云進(jìn)行處理。嵌入式邊緣技術(shù)本質(zhì)上利用了本地計(jì)算能力，它們支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在交付鏈中更早地主動(dòng)將“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)換為“信息”，并且只有關(guān)鍵的信息才被傳輸?shù)皆苼?lái)進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理。這顯著降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的峰值帶寬要求，并且也縮短了云中所需的總CPU周期。

更重要的是，能夠在設(shè)備本身內(nèi)快捷處理數(shù)據(jù)的能力提供了新的自主等級(jí)。今天，我們看到新一波的產(chǎn)品正在采用人工智能，并依賴于嵌入到SoC內(nèi)部的（邊緣）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速。 這些產(chǎn)品通常被視為“更加智能”，它們能夠在本地根據(jù)輸入完成操作并獨(dú)立處理數(shù)據(jù)，尤其是在基于服務(wù)器（云）的基礎(chǔ)架構(gòu)不適合或設(shè)備脫機(jī)的時(shí)候。

例如，采用邊緣技術(shù)用于在本地處理視頻幀的物聯(lián)網(wǎng)家用安防系統(tǒng)，可以在云中占用最少的處理開銷。安防系統(tǒng)不是將所有視頻幀都低效率地發(fā)送到云，因?yàn)樗鼈冎械拇蠖鄶?shù)都是相同的，取而代之的是安防系統(tǒng)使用嵌入式AI邊緣技術(shù)來(lái)僅識(shí)別那些顯示了可疑活動(dòng)的視頻幀。一旦處理完畢后，系統(tǒng)可能會(huì)選擇只發(fā)送有用的視頻摘錄到云端，或者只是向你的智能手機(jī)發(fā)送提醒。使用之前的類比，我們現(xiàn)在已經(jīng)將幾千兆字節(jié)的多余視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為少量含有有用信息的字節(jié)，這只需使用邊緣技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備的可擴(kuò)展性也大幅度得到改善，這是因?yàn)檫吘壖夹g(shù)可以確保分布式計(jì)算資源在整個(gè)系統(tǒng)中按比例擴(kuò)展，并且每臺(tái)額外的設(shè)備都增加了更多的能力。另一個(gè)關(guān)鍵方面是延遲，在云和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要的是與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)聯(lián)的往返時(shí)間。如果嵌入式邊緣技術(shù)被用于在設(shè)備中只處理數(shù)據(jù)，那么延遲可以被縮短到最短時(shí)間，或者在某些情況下可以完全避免延遲。 這對(duì)于需要絕對(duì)保證響應(yīng)時(shí)間的嵌入式系統(tǒng)尤為重要。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中對(duì)增加計(jì)算能力和“智能”的需求始終存在，在推出諸如用于語(yǔ)音控制的自然語(yǔ)言處理、手勢(shì)控制界面、先進(jìn)圖像分類和視覺(jué)認(rèn)知系統(tǒng)等新技術(shù)的時(shí)候，都將意味著邊緣技術(shù)已在大范圍內(nèi)變得更加重要。對(duì)于Imagination來(lái)說(shuō)，這意味著更高的性能和更低能耗帶來(lái)的效率，這是因?yàn)槲覀優(yōu)樽约旱腟oC合作伙伴開發(fā)了先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速和GPU計(jì)算技術(shù)。這些SoC將具有超越現(xiàn)有性能指標(biāo)的能力，不再是簡(jiǎn)單地將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到云，而是能夠從多個(gè)輸入中獲取有價(jià)值的信息，并且所有的輸入都在硅芯片內(nèi)處理。

eFPGA技術(shù)為邊緣計(jì)算環(huán)境提供安全保證

Achronix半導(dǎo)體公司高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理

Alok Sanghavi

下一代嵌入式應(yīng)用正將處理任務(wù)推出云端并走向網(wǎng)絡(luò)邊緣。同時(shí)，通過(guò)圍繞可編程邏輯構(gòu)建處理結(jié)構(gòu)，提供了新的能力使得計(jì)算更加以數(shù)據(jù)為中心。可編程邏輯使得構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流水線（pipeline）成為可能；相反，傳統(tǒng)處理器則需要通過(guò)復(fù)雜的內(nèi)存緩存層級(jí)結(jié)構(gòu)才將數(shù)據(jù)推送到其處理流水線。

在采用可編程邏輯來(lái)構(gòu)建的計(jì)算解決方案支持下，數(shù)據(jù)可以在節(jié)點(diǎn)之間無(wú)縫流動(dòng)，并在它們通過(guò)時(shí)借助定制邏輯電路和DSP引擎的組合對(duì)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行調(diào)控。每個(gè)單元在被處理完之后，會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。隨著需求的變化，可編程邏輯陣列可以被重新連線配置，為以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用提供更好的支持。

獨(dú)立的FPGA芯片因?yàn)閿?shù)據(jù)需要頻繁和更專用的ASIC之間交互，通常會(huì)導(dǎo)致額外的功耗和性能損失。嵌入式FPGA（eFPGA）技術(shù)通過(guò)在ASIC內(nèi)部集成可編程邏輯陣列，為其提供了一種可滿足能效、性能和尺寸限制因素的方法。利用eFPGA技術(shù)，硬件加速功能可以被帶入到芯片中。這些功能的一個(gè)很好的例子便是可重新配置處理單元陣列，這些陣列被用于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用所需的卷積內(nèi)核或最大池計(jì)算，通過(guò)將這些功能實(shí)現(xiàn)在ASIC內(nèi)部的嵌入式可編程邏輯陣列中，就可以使整個(gè)芯片達(dá)到更高的性能等級(jí)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本和功耗。

eFPGA技術(shù)在邊緣計(jì)算環(huán)境中還有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)—容器和虛擬化為核心云中的安全操作提供了有效支持，這是因?yàn)檫@些系統(tǒng)可以利用良好的物理安全性。網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備需要更高級(jí)別的硬件保護(hù)，因?yàn)楣粽吒菀钻J入機(jī)箱并篡改路邊機(jī)柜或服務(wù)室里的系統(tǒng)設(shè)置。由于邊緣計(jì)算系統(tǒng)從管理員那里得到的支持較少，因此物理安全性至關(guān)重要。

將安全功能集成到圍繞eFPGA內(nèi)核的硬連線邏輯之中，使其能夠支持虛擬電路加密上傳到邏輯陣列，并且持續(xù)監(jiān)控它們是否存在潛在漏洞。硬連線邏輯可以確保由不同用戶上傳的可編程功能實(shí)現(xiàn)分離，并防止它們相互竊聽。

通過(guò)將安全性電路和可編程邏輯都集成在芯片上，使得攻擊者要竊聽通信時(shí)的物理訪問(wèn)很難實(shí)現(xiàn)，甚至不可能。借助集成的CPU，整個(gè)服務(wù)的計(jì)算功能可以與外界隔離而直接到eFPGA，從而限制從芯片中外發(fā)的信息量。 在執(zhí)行與其他服務(wù)的通信時(shí)，可以使用面向eFPGA的硬連線邏輯中強(qiáng)大的加密單元，從而去支持適合邊緣計(jì)算需求的強(qiáng)大的安全架構(gòu)。