邊緣的超低功耗關(guān)鍵短語檢測

語音在與智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人輔助系統(tǒng)交互中的廣泛使用，使語音作為其他技術(shù)的首選HMI（人機(jī)界面）的使用迅速起步。例如，在當(dāng)今的智能家居中，用戶可以要求Alexa打開或關(guān)閉燈，鎖門和調(diào)節(jié)恒溫器。隨著這項(xiàng)技術(shù)變得越來越普遍，對(duì)使用高精度、緊湊和節(jié)能的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵短語檢測解決方案來增加人與機(jī)器之間交互的技術(shù)解決方案的需求正在增加。與需要網(wǎng)絡(luò)連接的云連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （NN） 關(guān)鍵短語檢測實(shí)現(xiàn)不同，基于邊緣的解決方案在邊緣執(zhí)行所有計(jì)算，不會(huì)記錄或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆啤?/p>

本文將介紹一種專為網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)計(jì)的基于 NN 的關(guān)鍵短語檢測解決方案。這些二值化型號(hào)可在低功耗UltraPlus? FPGA上運(yùn)行。本文將討論當(dāng)使用包含嘈雜背景（如音樂或聊天噪音）的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練 NN 時(shí)，如何在嘈雜環(huán)境中使用關(guān)鍵短語檢測。在這種情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用公共數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，以檢測單詞“七”。關(guān)鍵短語檢測可用于廣泛的應(yīng)用，而無需個(gè)人助理設(shè)備。可能的應(yīng)用包括智能燈開關(guān)、智能電視和 AVR，通過音量增大和減小等命令管理設(shè)備。

一、引言

長期以來，使用語音命令來控制人機(jī)界面（HMI）一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)?？勺匪莸?0世紀(jì)中葉的流行科幻電視節(jié)目和電影，如“星際迷航”和“星球大戰(zhàn)”，給了我們一個(gè)語音世界可能是什么樣子的暗示。但是，為現(xiàn)實(shí)生活中的消費(fèi)應(yīng)用開發(fā)低成本、高能效的解決方案已被證明是難以捉摸的。

然而，在過去幾年中，亞馬遜的Alexa和蘋果的Siri等流行的AI應(yīng)用程序的出現(xiàn)以及它們將語音命令轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)操作的能力加速了向基于語音的HMI的遷移。這些快速發(fā)展為越來越多的智能家居解決方案打開了大門，這些解決方案依賴于關(guān)鍵短語檢測。今天，用戶可以要求Alexa通過互聯(lián)網(wǎng)訂購產(chǎn)品，打開燈，鎖門，設(shè)置家庭恒溫器，甚至給草澆水。

通常，這些支持語音的HMI執(zhí)行識(shí)別云中的關(guān)鍵短語所需的計(jì)算。在許多情況下，設(shè)計(jì)師將他們的應(yīng)用程序插入預(yù)先存在的基礎(chǔ)設(shè)施中，例如亞馬遜的Alexa。然而，這一發(fā)展戰(zhàn)略面臨一些限制。首先是成本。在云中的服務(wù)器上運(yùn)行關(guān)鍵短語檢測算法的解決方案每次訪問云中的資源時(shí)都必須按分鐘付費(fèi)。此外，構(gòu)建基于云的邊緣解決方案的開發(fā)人員必須支付 NRE 以針對(duì)特定設(shè)備訓(xùn)練他們的解決方案，然后為他們發(fā)布的每個(gè)解決方案支付版稅。將設(shè)計(jì)插入預(yù)先存在的基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員將看到成本上升，因?yàn)樗麄冝D(zhuǎn)向Wi-Fi模型需要更強(qiáng)大的處理器來獲取數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到邊緣設(shè)備，并通過Wi-Fi收聽命令。

此外，依賴互聯(lián)網(wǎng)連接會(huì)帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)。如果連接斷開，使用互聯(lián)網(wǎng)連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆瓶赡軙?huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷。通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)也會(huì)帶來潛在的黑客風(fēng)險(xiǎn)。從用戶的角度來看，互聯(lián)網(wǎng)連接為侵犯隱私和安全問題打開了大門。依賴于直接位于設(shè)備上的計(jì)算資源的邊緣解決方案可避免這些潛在問題。

二、新方法

本文探討了一種不同的方法，為位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備提供更低成本的關(guān)鍵短語檢測。利用在開發(fā)高精度、緊湊和低成本的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （NN） 模型方面的進(jìn)步，以及新一代超低功耗現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 的改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以構(gòu)建關(guān)鍵短語檢測解決方案，在邊緣執(zhí)行所有計(jì)算，從而消除與云連接 NN 關(guān)鍵短語檢測實(shí)現(xiàn)相關(guān)的連接、安全和隱私問題。

通過在本地執(zhí)行關(guān)鍵短語檢測，與基于云的解決方案相比，此設(shè)計(jì)策略可顯著節(jié)省成本。它也不依賴其他生態(tài)系統(tǒng)來運(yùn)作。如果在基于云的解決方案中互聯(lián)網(wǎng)連接失敗，系統(tǒng)將失敗?；谶吘壍谋镜亟鉀Q方案不會(huì)冒此風(fēng)險(xiǎn)。安全和隱私問題不是威脅。本地解決方案更易于用戶設(shè)置和運(yùn)行。最后，使用萊迪思的超低功耗iCE40 Ultra Plus FPGA，這種方法為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量功耗，這是電池供電設(shè)備的一個(gè)重要考慮因素。例如，本演示文稿中描述的解決方案僅消耗7 mW。

將經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的智能家居應(yīng)用推向邊緣的一個(gè)關(guān)鍵步驟是開發(fā)能夠在低密度、低功耗 FPGA 上運(yùn)行的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在云中使用浮點(diǎn)計(jì)算的深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)于邊緣的消費(fèi)者應(yīng)用程序是不切實(shí)際的。相反，設(shè)計(jì)人員必須開發(fā)計(jì)算效率高的解決方案，既要滿足精度目標(biāo)，又要符合消費(fèi)市場的成本、尺寸和功耗限制。因此，在邊緣操作的設(shè)計(jì)人員必須使用使用盡可能少位的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

設(shè)計(jì)人員可以簡化計(jì)算的一種方法是從浮點(diǎn)切換到定點(diǎn)甚至基本整數(shù)。通過補(bǔ)償浮點(diǎn)到定點(diǎn)整數(shù)的量化，使用二值化 NN 的設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)訓(xùn)練速度更快、精度更高的解決方案，并將定點(diǎn)、低精度整數(shù) NN 的性能提高到接近浮點(diǎn)版本的水平。要構(gòu)建簡單的邊緣設(shè)備，訓(xùn)練必須創(chuàng)建具有 1 位權(quán)重的 NN 模型。這些模型被稱為二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BNN）。

通過使用 1 位值而不是更大的數(shù)字，BNN 可以消除乘法和除法的使用。這允許使用 XOR 和彈出計(jì)數(shù)計(jì)算卷積，從而節(jié)省大量成本并節(jié)省高達(dá) 16 倍的功耗。借助當(dāng)今的 FPGA，設(shè)計(jì)人員擁有一個(gè)高度靈活的平臺(tái)，可提供所需的所有存儲(chǔ)器、邏輯和 DSP 資源。

三、NN實(shí)施

下面的討論描述了一個(gè)關(guān)鍵短語檢測解決方案的示例，該解決方案專為邊緣應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并在具有BNN軟核的iCE40 UltraPlus FPGA中實(shí)現(xiàn)。在正常工作期間，關(guān)鍵短語檢測實(shí)現(xiàn)在功耗低于1mW的情況下偵聽聲音。一旦系統(tǒng)檢測到聲音，它就會(huì)激活 1 秒的緩沖并調(diào)用 BNN。BNN直接在原始輸入上運(yùn)行，而不是在傳統(tǒng)的頻譜圖和MFCC預(yù)處理上操作。代表 1 秒音頻的 16K 原始樣本通過重疊的一維卷積層，變成 30 張 32x32x3 圖像，每張代表 10 毫秒的音頻樣本。然后將輸出傳遞到主 BNN 進(jìn)行處理。

BNN 有四層深，每層執(zhí)行如下所示的功能：

二進(jìn)制卷積是輸入數(shù)據(jù)和 1 位權(quán)重的 1 位乘法。在這種情況下，乘法被 XOR 函數(shù)取代。批量規(guī)范化和縮放使激活規(guī)范化，并在 BNN 訓(xùn)練階段提供幫助。整流線性單元 （ReLu） 將低于特定閾值的數(shù)據(jù)設(shè)置為 0，高于相同閾值的數(shù)據(jù)設(shè)置為 1。池對(duì)圖像的每個(gè)相鄰像素執(zhí)行，并選擇概率最高的有意義像素。此函數(shù)減少了后續(xù)步驟中所需的計(jì)算量。全連接層通常是最后一層，它占據(jù)了前一層中的每個(gè)神經(jīng)元。它在下一層的神經(jīng)元上也有一定的重量。此函數(shù)通常計(jì)算成本高昂，因此它是作為神經(jīng)元明顯較少的最后一個(gè)操作執(zhí)行的。

BNN使用GPU進(jìn)行訓(xùn)練，并運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的訓(xùn)練工具，如Café和TensorFlow。使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集是一個(gè)公共訓(xùn)練集，其中包含 1K+ 人 65，000 個(gè) 30 個(gè)短詞的 1 秒長話語。此階段稱為訓(xùn)練階段。然后，訓(xùn)練工具的輸出通過萊迪思半導(dǎo)體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器工具進(jìn)行格式化，以供FPGA設(shè)計(jì)使用。您可以將權(quán)重視為在邊緣硬件上進(jìn)行推理時(shí)使用的關(guān)鍵短語的模板。選擇的關(guān)鍵詞是“七”。

四、制度實(shí)施

為了演示系統(tǒng)的功能，工程師使用了HiMax HM01B0 UPduino擴(kuò)展板和iCE40 UltraPlus FPGA。這是一款低成本的Arduino外形電路板，旨在展示FPGA的功能。該板具有兩個(gè)直接連接到 FPGA 的 I2S 麥克風(fēng)、用于 FPGA 設(shè)計(jì)的外部閃存和權(quán)重激活存儲(chǔ)。它還具有 LED 以指示關(guān)鍵短語的檢測。用戶可以直接對(duì)著麥克風(fēng)講話。檢測到關(guān)鍵短語后，LED 將亮起。

五、性能

在此應(yīng)用中，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)頻率和處理長度可以用功耗來換取。在27MHz時(shí)，16K原始樣本相當(dāng)于1秒的音頻處理，可以在25ms內(nèi)處理，同時(shí)消耗7.7mW。當(dāng)頻率降低到13.5MHz時(shí)，功耗降至4.2mW，相同的1秒音頻樣本在50ms內(nèi)處理完畢。

關(guān)鍵短語檢測通常必須在嘈雜的環(huán)境中運(yùn)行，而無需添加額外的硬件來消除噪聲和回聲。該實(shí)現(xiàn)通過使用包含噪聲背景的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練 NN 來實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，而無需定位和波束成形。經(jīng)過訓(xùn)練的 NN 像人類一樣檢測關(guān)鍵字，但也有類似的限制。添加了具有各種隨機(jī)人群噪音水平（咖啡館、會(huì)議等）的數(shù)據(jù)集，并添加了關(guān)鍵詞。使用更高噪聲級(jí)別訓(xùn)練的 NN 對(duì)噪聲的魯棒性更強(qiáng)，但需要更響亮的關(guān)鍵短語。

BNN 可以檢測多達(dá) 10 個(gè) 1 秒的關(guān)鍵短語，使其成為通過語音進(jìn)行 HMI 的理想選擇。為了提高檢測精度，采用時(shí)域濾波器僅在發(fā)生連續(xù)檢測時(shí)才報(bào)告關(guān)鍵短語檢測。該設(shè)計(jì)為單個(gè)關(guān)鍵短語提供高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確率，為多達(dá) 5 個(gè)關(guān)鍵短語提供高達(dá) 90% 的準(zhǔn)確率。

六、結(jié)語

將 AI 帶到邊緣帶來了幾個(gè)重大挑戰(zhàn)。然而，它也提供了巨大的機(jī)會(huì)。正如該項(xiàng)目所證明的那樣，使用實(shí)施BNN而不是基于云的資源的FPGA將AI構(gòu)建到設(shè)備中可以大大降低硬件成本，同時(shí)加快響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，將處理保持在本地可提高安全性并節(jié)省寶貴的帶寬和服務(wù)器使用成本。

審核編輯：郭婷