創(chuàng)新持續(xù)感知 走向技術(shù)融合

馬夢(mèng)珂

科學(xué)技術(shù)從來(lái)沒有像今天這樣深刻影響著國(guó)家前途命運(yùn)和人民生活福祉。習(xí)近平總書記曾強(qiáng)調(diào)：科技界要共同努力，樹立強(qiáng)烈的創(chuàng)新自信，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向，不斷在攻堅(jiān)克難中追求卓越。數(shù)載以來(lái)，這些話一直在影響著一批又一批的科研工作者。

在清華大學(xué)電子工程系副研究員喬飛和其所在的智能感知集成電路與系統(tǒng)科研團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“科研團(tuán)隊(duì)”）看來(lái)，在科技強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略背景下，科技的自主創(chuàng)新至關(guān)重要。通過近二十年來(lái)腳踏實(shí)地的科研探索，研究團(tuán)隊(duì)在低功耗集成電路設(shè)計(jì)、面向智能感知的新型高能效信號(hào)處理架構(gòu)，以及智能感知集成電路和系統(tǒng)領(lǐng)域積累了深厚的基礎(chǔ)理論研究成果和關(guān)鍵芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。如今，科研團(tuán)隊(duì)仍在全心致力于設(shè)計(jì)超低功耗集成智能感知芯片系統(tǒng)，將其面向未來(lái)機(jī)器人感知、穿戴式感知和環(huán)境信息感知等萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景，并全力推動(dòng)科研技術(shù)的落地生根。

從“分”到“合”，打破傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)瓶頸

智能物聯(lián)網(wǎng)是人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展下的必然產(chǎn)物，也是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同聚焦的前沿方向。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有持續(xù)智能感知能力的集成物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)各種終端設(shè)備智能化的必由之路，也是解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功耗、實(shí)時(shí)性和安全隱私難題的關(guān)鍵技術(shù)。

通過對(duì)研究團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行訪談，記者了解到：無(wú)論是生物體還是機(jī)器與外部環(huán)境進(jìn)行交互，都需要感知系統(tǒng)來(lái)了解外部世界的相關(guān)信息。在民用領(lǐng)域，各種智能穿戴設(shè)備，以及手機(jī)里多種傳感器的持續(xù)運(yùn)行，都會(huì)帶來(lái)一系列數(shù)據(jù)采集和能量效率的挑戰(zhàn)。在工業(yè)及特種應(yīng)用領(lǐng)域，很多機(jī)器設(shè)備需要在野外部署，這時(shí)就更需要超低功耗的感知系統(tǒng)，去支持其長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

隨著邊緣計(jì)算和人工智能技術(shù)的興起，傳統(tǒng)感知系統(tǒng)在向智能感知系統(tǒng)演化。復(fù)雜的處理任務(wù)和有限的能量供給之間的矛盾日益突出，無(wú)法完成持續(xù)的、不間斷的數(shù)據(jù)采集和智能處理任務(wù)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的運(yùn)行效率大大降低。在此趨勢(shì)下，研究團(tuán)隊(duì)一直試圖從信號(hào)處理鏈路和感知信息提取架構(gòu)角度來(lái)探索新的處理范式。

通過開展一系列研究，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前典型的智能感知系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是“分而治之”，即各個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)和優(yōu)化，忽略了系統(tǒng)整體優(yōu)化的潛力;對(duì)于某些事件驅(qū)動(dòng)型感知應(yīng)用，處理了大量無(wú)用數(shù)據(jù)，增加了設(shè)計(jì)難度和使用成本。“天下大勢(shì)，合久必分，分久必合”。在當(dāng)今技術(shù)發(fā)展對(duì)低功耗和高能效處理要求日益迫切的情況下，傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)的分立模塊設(shè)計(jì)所帶來(lái)的系統(tǒng)效率低下，早已不符合當(dāng)今時(shí)代的需求。

通過對(duì)典型智能感知系統(tǒng)多年的研究、對(duì)比和分析，研究團(tuán)隊(duì)提出智能感知集成系統(tǒng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的“第一性原理”，即“凡是接口，必為瓶頸”。智能感知系統(tǒng)中分立的模塊依賴各種接口連接，如果能夠消除接口的能耗和延時(shí)瓶頸，就有可能提高整個(gè)智能感知系統(tǒng)的效率。為了攻克相關(guān)科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，早在2012年年底至2013年年初，研究團(tuán)隊(duì)就提出了“模擬-信息轉(zhuǎn)換處理”的思路，首先嘗試解決智能感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口瓶頸問題;并以此展開了一系列的“融合”研究。

探索攻關(guān)，形成完備的技術(shù)體系

積跬步以至千里，匯涓滴而成江海。在近十年的智能感知集成電路和系統(tǒng)方向的科研探索中，科研團(tuán)隊(duì)從一次次科研實(shí)踐中，大膽試錯(cuò)，開創(chuàng)性地提出了一系列成套技術(shù)方案。在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，他們致力于形成更為完備的技術(shù)體系，為更多的算法和場(chǎng)景提供應(yīng)用支撐，以更好地服務(wù)于社會(huì)發(fā)展的需求。

目前，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都在致力于深度學(xué)習(xí)加速器的研究和開發(fā)，主要集中在數(shù)字信號(hào)域的信息處理上，有些技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用到智能手機(jī)等領(lǐng)域。但是迄今為止，這些成果主要支持突發(fā)的、短時(shí)的智能處理，還無(wú)法滿足智能傳感終端對(duì)于超低功耗持續(xù)感知的需求。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種面向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的模擬信號(hào)感知計(jì)算架構(gòu)。這項(xiàng)發(fā)明技術(shù)與各種數(shù)字域加速器的研究可以相互補(bǔ)充，將持續(xù)感知任務(wù)前移到近傳感器端的模擬信號(hào)域，為后級(jí)的數(shù)字信號(hào)域加速器濾除冗余信息，可以顯著減少數(shù)字信號(hào)域加速器的處理時(shí)間和能量消耗。

受益于模擬信號(hào)處理的數(shù)據(jù)表示優(yōu)勢(shì)及計(jì)算能效優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步挖掘標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的強(qiáng)大處理潛力，在近傳感器端對(duì)原始圖像信息進(jìn)行高效的智能化處理。與傳統(tǒng)的數(shù)字域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器相比，一方面借助模擬信號(hào)處理的高能效特性，大大降低了智能化處理部分的能量消耗，同時(shí)通過在近傳感器端直接對(duì)圖像傳感器的模擬信號(hào)輸出進(jìn)行處理，減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換和搬運(yùn)的代價(jià)，進(jìn)一步降低了智能視覺感知系統(tǒng)的能量消耗，為終端設(shè)備具備持續(xù)智能感知能力提供了可能性和無(wú)限的應(yīng)用想象空間。

集成電路技術(shù)具有典型的應(yīng)用引導(dǎo)特征。在相關(guān)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)首先開始尋求與機(jī)器人感知領(lǐng)域的交叉合作。特別是在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃的支持下，致力于解決高效智能視覺感知芯片和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)。

面向機(jī)器人智能視覺感知任務(wù)，大量持續(xù)不斷工作的傳感器產(chǎn)生了海量傳感數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)中心的處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在這一背景下，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了面向常開型智能視覺感知的終端芯片。在研究中，他們采用軟硬件聯(lián)合優(yōu)化方式，完善了能量供給和計(jì)算資源受限下的視覺信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了“傳感+計(jì)算”一體化的常開型智能視覺感知節(jié)點(diǎn)上的微瓦級(jí)識(shí)別系統(tǒng)，完成了基于直接光電流計(jì)算方法的傳感內(nèi)計(jì)算電路架構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行流片驗(yàn)證工作，芯片測(cè)試達(dá)到預(yù)期效果。在項(xiàng)目評(píng)估會(huì)議上，科研團(tuán)隊(duì)的研究成果得到了與會(huì)專家的一致好評(píng)。

科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)推進(jìn)研究工作，目前已經(jīng)在視覺、聽覺、觸覺和多模態(tài)感知應(yīng)用方向，以及系統(tǒng)應(yīng)用、算法優(yōu)化、感知處理架構(gòu)和電路設(shè)計(jì)等方面形成一套完整的智能感知集成電路系統(tǒng)技術(shù)體系和研究范式。

頂天立地，開拓團(tuán)隊(duì)科研特色

“創(chuàng)新從來(lái)都是九死一生”，習(xí)近平總書記曾勉勵(lì)我國(guó)廣大科技工作者要有強(qiáng)烈的創(chuàng)新信心和決心，要有“亦余心之所善兮，雖九死其猶未悔”的豪情，勇于攻堅(jiān)克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競(jìng)爭(zhēng)和未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)。

顛覆式的創(chuàng)新技術(shù)常常源于實(shí)踐環(huán)節(jié)中的深思熟慮和不經(jīng)意的奇思妙想，也常常是非主流和挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的技術(shù)思路?？蒲袌F(tuán)隊(duì)提出的采用模擬和混合信號(hào)的高能效智能感知集成電路處理架構(gòu)思路，也正是源于一次靈感的碰撞。

大約在2012年年底，喬飛和他的合作伙伴進(jìn)行日常科研交流。交談中，他們談到了各自從事研究工作的思考和困惑。在他們看來(lái)，面向真正的應(yīng)用需求，并尋找到屬于自己的特色研究方向，才能讓自己的研究技術(shù)更具有生命力和應(yīng)用價(jià)值。

面向感知問題，采用模擬信號(hào)對(duì)感知數(shù)據(jù)表示和處理是否有比主流的數(shù)字信號(hào)處理更高的效率？在不斷的交流與碰撞下，他們分析了生物體連續(xù)時(shí)間信號(hào)處理的特性，探討了各自從事的多媒體信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)特點(diǎn)后，突發(fā)奇想。“其實(shí)早在數(shù)字電路出現(xiàn)之前，就有人用模擬電路做信號(hào)處理了。但那時(shí)候因?yàn)楣に嚥环€(wěn)定等問題，所以很快就被數(shù)字電路取代了。而隨著科技的進(jìn)步，芯片制造工藝愈加可靠，更重要的是感知算法本身就有容錯(cuò)特性，何不在相關(guān)領(lǐng)域做一些嘗試？”喬飛他們決定一起從解決智能感知任務(wù)的角度切入，進(jìn)行模擬和混合信號(hào)的高能效感知集成電路處理架構(gòu)思路探索。

模擬信號(hào)處理技術(shù)是早期被數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)淘汰的所謂“落后”技術(shù)，因此在最開始從事相關(guān)領(lǐng)域研究時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)也遭遇了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)和方案試錯(cuò)。但即使困難重重，在智能感知“第一性原理”的指導(dǎo)下，科研團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)階段人工智能算法任務(wù)特點(diǎn)，大膽假設(shè)、小心求證，堅(jiān)持信念并抓住技術(shù)發(fā)展的主要需求和矛盾，持續(xù)優(yōu)化技術(shù)方案。

功夫不負(fù)有心人，最終，他們采用“智能算法-高效硬件”聯(lián)合設(shè)計(jì)的方法突破了模擬信號(hào)人工智能感知處理的技術(shù)難題，取得了顯著的性能提升，用所研發(fā)的技術(shù)打造了屬于自己團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新自信。念念不忘，必有回響。目前，相關(guān)工作已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和跟蹤模仿?！把芯繄F(tuán)隊(duì)所付出的一切努力都是值得的”。喬飛說。

科學(xué)研究不僅要“頂天”，還要“立地”。一路走來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)始終認(rèn)為，集成電路設(shè)計(jì)本身是一個(gè)工程學(xué)科，應(yīng)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。因此，在相關(guān)技術(shù)的積累下，他們一直努力搭建體系化的應(yīng)用平臺(tái)，以服務(wù)于技術(shù)的產(chǎn)業(yè)落地。

2020年4月，基于科研團(tuán)隊(duì)技術(shù)孵化的每刻深思智能科技（北京）有限責(zé)任公司（“每刻深思MakeSens?AI”）應(yīng)運(yùn)而生。之后，在每刻深思的配合下，研究團(tuán)隊(duì)將與工程應(yīng)用團(tuán)隊(duì)合作搭建更多體系化技術(shù)平臺(tái)，著力于解決智能感知集成電路和系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)落地，讓團(tuán)隊(duì)的科研技術(shù)離產(chǎn)業(yè)應(yīng)用越來(lái)越近。“只有將平臺(tái)體系化之后，我們做一些前沿技術(shù)研發(fā)工作，才能又快、又好、又準(zhǔn)，也能具有更好的技術(shù)先進(jìn)性和影響力。”喬飛說。未來(lái)任重道遠(yuǎn)，在將研究技術(shù)做到“頂天立地”的目標(biāo)驅(qū)使下，他們?nèi)栽诓粩嗵剿?、前行?/p>

多年積累，打造團(tuán)隊(duì)文化自信

世界上并沒有路，走的人多了，也便成了路。在喬飛看來(lái)，路是人走出來(lái)的。而作為一名科研工作者，更要勇于開拓創(chuàng)新?！半m然我們選擇的技術(shù)路線比較獨(dú)特，但現(xiàn)在看來(lái)，我們的堅(jiān)持是對(duì)的。”喬飛說。近10年的蟄伏和創(chuàng)新，造就了一支技術(shù)堅(jiān)實(shí)、信念堅(jiān)定的技術(shù)團(tuán)隊(duì)?；仡欉^往，喬飛更是對(duì)和自己一路走來(lái)并肩前行的團(tuán)隊(duì)成員充滿著感恩之情。

喬飛始終認(rèn)為：“科學(xué)研究是對(duì)于自己天性的激發(fā)，每個(gè)人都有屬于自己的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。”在這支科研團(tuán)隊(duì)中，有著更加靈活的管理運(yùn)行模式，團(tuán)隊(duì)里的成員都是平等的關(guān)系，每個(gè)人都有發(fā)表不同技術(shù)觀點(diǎn)的權(quán)利。在日常的科研交流中，團(tuán)隊(duì)鼓勵(lì)成員大膽思考，對(duì)于成員提出的新技術(shù)建議，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)共同探討，幫助每一個(gè)提出思路和建議的同學(xué)梳理可行性，并配給研究資源，鼓勵(lì)他們用結(jié)果來(lái)證明自己的科研想法?！拔液芘宸业膶W(xué)生，他們都在堅(jiān)持自己相信的東西，并努力實(shí)踐自己的想法?！眴田w驕傲地說。

除卻日常的科研工作之外，科研團(tuán)隊(duì)還十分注重科學(xué)研究“走出去”，展開與外部科研團(tuán)隊(duì)的廣泛交流與合作。特別是，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)設(shè)立演示日，邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)的合作伙伴及行業(yè)專家來(lái)進(jìn)行一些科研思想及科研技術(shù)的分享與探討。由此，讓團(tuán)隊(duì)內(nèi)外的研究人員在思想碰撞中，不斷發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，激發(fā)創(chuàng)新活力。

薪火相傳，生生不息?？蒲兄飞希芯繄F(tuán)隊(duì)遇到過很多和他們一起開拓前行的密切合作者，從校內(nèi)到校外，從祖國(guó)各地到海外，在他們的幫助和共同努力下，多項(xiàng)合作成果紛紛涌現(xiàn)，極大推動(dòng)了這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。多年來(lái)，喬飛從眾多的師長(zhǎng)身上學(xué)到了科研知識(shí)、科研品德，他也希望能夠悉數(shù)傳承給自己的學(xué)生，讓這些精神對(duì)一代又一代的科研學(xué)子產(chǎn)生正向的科研影響。

在攀登知識(shí)高峰中追求卓越，在肩負(fù)時(shí)代重任時(shí)行勝于言。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還將肩負(fù)起清華人的擔(dān)當(dāng)，在面向智能持續(xù)感知的“感算共融”體系架構(gòu)和集成電路設(shè)計(jì)方法中持續(xù)開拓，將科研技術(shù)推廣應(yīng)用，使之真正地扎根于社會(huì)之中。

（責(zé)編：張聞）