隨著消費(fèi)電子、生物醫(yī)學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中始終監(jiān)聽(tīng)設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)，似乎每個(gè)人都在嘗試使用模擬來(lái)節(jié)省設(shè)計(jì)中的功耗。隨著使用“模擬內(nèi)存計(jì)算”來(lái)降低處理器功耗的新型機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）數(shù)字芯片，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在發(fā)明新的方法來(lái)利用模擬計(jì)算的固有功耗和計(jì)算效率。那么，有什么障礙呢？事實(shí)是，盡管這些芯片利用模擬電路的固有優(yōu)勢(shì)來(lái)節(jié)省芯片內(nèi)的功耗以進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，但它們最終是在數(shù)字域中對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)行的數(shù)字處理芯片，這意味著它們只能為系統(tǒng)提供有限的節(jié)能效果。幸運(yùn)的是，一種更全面地使用模擬計(jì)算的新系統(tǒng)級(jí)方法（模擬機(jī)器學(xué)習(xí) （analogML） 內(nèi)核）現(xiàn)在可以在系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)更高的電源效率。

雖然模擬內(nèi)存計(jì)算和模擬ML有時(shí)都被標(biāo)記為“模擬計(jì)算”，但它們絕不是一回事。設(shè)計(jì)人員需要了解模擬內(nèi)存計(jì)算和 analogML 內(nèi)核之間的區(qū)別，以便創(chuàng)建更節(jié)能的終端設(shè)備？

內(nèi)存模擬計(jì)算的芯片級(jí)效率

模擬內(nèi)存計(jì)算通常是指在數(shù)字機(jī)器學(xué)習(xí)處理器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用模擬電路，以便以較低的功耗執(zhí)行乘法累加 （MAC） 功能。但是，利用這種方法的芯片仍然是在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字處理范式中運(yùn)行的時(shí)鐘處理器，需要立即將所有模擬傳感器數(shù)據(jù)數(shù)字化，無(wú)論是否相關(guān)。事實(shí)上，使用模擬內(nèi)存計(jì)算的芯片實(shí)際上需要在確定數(shù)據(jù)的重要性之前進(jìn)行三次單獨(dú)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳感器數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)換為數(shù)字以進(jìn)行初始處理（數(shù)字化優(yōu)先架構(gòu)），然后在芯片內(nèi)轉(zhuǎn)換為模擬以用于MAC功能，最后，它們?cè)谛酒瑑?nèi)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，用于推理，分類(lèi)和其他功能所需的額外數(shù)字處理。因此，大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，但實(shí)際的模擬處理并不多。

雖然模擬內(nèi)存計(jì)算可能會(huì)降低單個(gè)推理芯片的功耗，但它僅以非常有限的方式使用模擬，因此它只能為整個(gè)系統(tǒng)提供同樣有限的功耗降低。

通過(guò)模擬機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)效率

相比之下，analogML 內(nèi)核完全在模擬域內(nèi)運(yùn)行，無(wú)需時(shí)鐘，并在數(shù)字化任何數(shù)據(jù)之前使用原始模擬傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和分類(lèi)。analogML 內(nèi)核集成到始終偵聽(tīng)的設(shè)備中，在花費(fèi)任何功率進(jìn)行單次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前確定數(shù)據(jù)的重要性。我們稱(chēng)之為“先分析”，因?yàn)槟MML內(nèi)核使數(shù)字系統(tǒng)保持關(guān)閉，除非檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)。

與集成模擬內(nèi)存計(jì)算的 ML 芯片相比，analogML 內(nèi)核處理模擬傳感器數(shù)據(jù)的更簡(jiǎn)化方法對(duì)系統(tǒng)級(jí)效率具有重大影響。

例如，在典型的語(yǔ)音優(yōu)先系統(tǒng)中，analogML 內(nèi)核在 100% 的時(shí)間內(nèi)處于開(kāi)啟狀態(tài)，在始終監(jiān)聽(tīng)模式下僅消耗 10μA 的電流，以確定哪些數(shù)據(jù)是重要的（分析優(yōu)先架構(gòu)），然后再在數(shù)字化上花費(fèi)任何功率。這使系統(tǒng)的其余部分保持睡眠狀態(tài)，直到檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)。與在數(shù)字域中 100% 運(yùn)行（數(shù)字化優(yōu)先架構(gòu)）并消耗高達(dá) 3000-4000μA 的更傳統(tǒng)的 ML 芯片相比，使用 analogML 的分析優(yōu)先方法可將電池壽命延長(zhǎng)多達(dá) 10 倍。這就是可持續(xù)使用數(shù)天而不是數(shù)小時(shí)的智能耳塞與一次電池充電可持續(xù)數(shù)年而不是數(shù)月的聲控電視遙控器之間的區(qū)別。

AnalogML 核心中有什么？

深入了解 analogML 內(nèi)核的幕后，可以揭示模擬內(nèi)存計(jì)算與 analogML 內(nèi)核之間的區(qū)別，模擬內(nèi)存計(jì)算僅用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，后者由多個(gè)軟件控制的模擬處理塊組成，我們可以為各種分析優(yōu)先應(yīng)用程序啟用、重新配置和調(diào)整。這些模塊可以在需要時(shí)獨(dú)立供電，可實(shí)現(xiàn)一系列功能。

傳感器接口—可以為特定傳感器類(lèi)型（麥克風(fēng)、加速度計(jì)等）合成接口電路

模擬特征提取 — 從原始模擬傳感器數(shù)據(jù)中挑選出顯著特征，大大減少進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量

模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) — 高效、占用空間小、可編程的模擬推理模塊

模擬數(shù)據(jù)壓縮—連續(xù)收集和壓縮模擬傳感器數(shù)據(jù)支持低功耗數(shù)據(jù)緩沖

模擬范式轉(zhuǎn)變

AnalogML 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了使用一點(diǎn)模擬計(jì)算來(lái)節(jié)省整個(gè) ML 芯片計(jì)算的一小部分，以節(jié)省功耗。它是一個(gè)完整的模擬前端解決方案，在數(shù)據(jù)仍然是模擬數(shù)據(jù)的情況下，使用接近零的功耗來(lái)確定信號(hào)鏈中最早點(diǎn)的數(shù)據(jù)的重要性，以最大限度地減少流經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量和數(shù)字系統(tǒng)（ADC/MCU/DSP）的開(kāi)啟時(shí)間。在某些應(yīng)用中，例如玻璃破碎檢測(cè)，事件可能每十年發(fā)生一次（或永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生），使用 analogML 內(nèi)核使數(shù)字系統(tǒng)在 99+% 的時(shí)間內(nèi)保持關(guān)閉，可以將電池壽命延長(zhǎng)數(shù)年。這開(kāi)辟了一類(lèi)新的持久遠(yuǎn)程應(yīng)用程序，如果所有數(shù)據(jù)（無(wú)論是否相關(guān)）在處理之前都已數(shù)字化，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用程序。

底線(xiàn)是所有模擬計(jì)算都不相等。無(wú)論芯片中包含多少模擬處理以降低其功耗，除非該芯片在模擬域中運(yùn)行，在模擬數(shù)據(jù)上，它不會(huì)做我們知道在系統(tǒng)中節(jié)省最多功耗的一件事 - 數(shù)字處理更少的數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷