中國網/中國成長門戶網訊 在曩昔幾十年中，盤算行業曾經成為全球經濟的要害驅動力，在經過的事況了小我盤算、變動位置盤算及云盤算等多個成長階段后，機械人盤算逐步嶄露頭角。本文提出機械人盤算的擴大和生長有其明白的軌跡，并將成為推進世界經濟的新引擎。
機械人盤算體系的軟件與硬件統稱為機械人盤算。跟著機械人盤算的成長，機械人在履行復雜義務和籠罩普遍利用場景方面的才能進一個步驟晉陞，預示著生孩子力的新一輪奔騰。本文基于中國已構成的機械人財產鏈系統，聚焦于機械人盤算這一焦點環節，以機械人利用軟件增加為驅動力，剖析機械人財產增加點；從編程說話、編譯器到硬件架構，旨在design周全的機械人盤算體系，為中國機械人盤算的成長供給引領性和基本性參考。
機械人盤算的成長近況及缺乏
今朝，中國已成為全球機械人市場的重要介入者之一。截至2022年，全球機械人市場總值到達513億美元，2017—2022年的均勻年增加率為14%，而中國的機械人市場範圍到達了174億美元，2017—2022年的均勻年增加率更是高達22%；估計2024年，全球機械人市場將跨越650億美元，此中產業機械人、辦事機械人和特種機械人的市場都將衝破百億美金範圍。隨同年夜模子帶來更強盛的智能決議計劃和計劃才能，機械人盤算將成為將來最主要的盤算范式之一。針對機械人財產界說機械人盤算范式，將成為將來10年內主導該財產的要害：①機械人盤算像變動位置盤算和云盤算一樣，將開闢數以萬億的新市場，這一市場的潛力將經由過程更多智能化利用軟件獲得激活；②機械人盤算的迅猛成長將依靠于研討者對編程說話和硬件的端到端開闢和立異。
機械人盤算概述
機械人凡是由本體和盤算體系構成。本體是機械人與物理世界交互的組件；盤算體系包含機械人上運轉的算法與履行算法的盤算硬件，是機械人完成義務的焦點體系，盤算體系的智能化決議了機械人的才能下限。此中，狹義的盤算體系凡是由3個部門構成： 感知模塊，由多種傳感器構成，擔任采集周遭的狀況信息； 盤算模塊，經由過程感知信息的輸出對機械人舉動停止決議計劃； 把持模塊，將盤算模塊的決議計劃輸入到機械人本體并與周遭的狀況停止交互。機械人利用軟件在機械人盤算體系上運轉，多種多樣的機械人利用軟件組成了機械人生態。本文重要追蹤關心以盤算模塊為主的機械人盤算範疇，可是感知模塊與把持模塊異樣是機械人盤算中主要的研討題目，將感知、盤算與把持集成到統一款芯片上，構成“感—算—控”一體的處理計劃，也是以後的一個趨向。
機械人盤算的目標在于經由過程應用多種形狀的機械人替換人類完成義務。以後，由於機械人的本錢進一個步驟下降，各行業應用機械人的意愿年夜年夜加強，機械人已在car 制造、電子制造、倉儲運輸、醫療康復等多個行業被應用，并逐步從傳統的單一簡略固定場景向長序列復雜場景停止利用轉換。
算力是機械人盤算財產迸發式增加的要害
無論是小我盤算、變動位置盤算或許云盤算的迸發，都來源于算力的增加，而算力的增加則源于半導體技巧的成長。半導體技巧的提高帶來了更多風趣、有興趣義的利用軟件，再由利用軟件拓展出更年夜的市場。以變動位置盤算為例，盡管變動位置德律風在20世紀初曾經成為一種商品，但其效能單一，有跨越90%的算力都被用于通訊相干的編碼、解碼盤算，可被用于利用軟件的算力缺乏10%，全部變動位置盤算的市場也僅有100億美元擺佈；跟著智妙手機的成長，算力不竭被晉陞，更充分的算力得以支撐搜刮、不雅看錄像、游戲等更多利用軟件，變動位置盤算生態體系的市場範圍現在曾經到達8 000億美元（圖1）。
一個盤算范式在步進成熟期之后，其市場範圍遠超其對應的半導體市場。以變動位置盤算為例，2022年，變動位置端處置器的市場範圍約為350億美元，對應的手機市場範圍為2 700億美元，而繁殖的變動位置盤算市場範圍則到達了8 000億美元，是變動位置處置器市場的23倍。同理，小我盤算處置器的市場範圍為550億美元，小我電腦的市場範圍約為1 500億美元，而小我盤算生態體系的市場範圍到達了9 000億美元，是其對應半導體市場的16倍。
機械人盤算的成長遠遠沒有到達上述變動位置盤算和小我盤算的範圍，而主要瓶頸在于以後機械人盤算體系的盡年夜部門算力仍被用于基本效能。據筆者研討剖析，機械人盤算體系design將機械人盤算才能的50%用于感知、20%用于定位、25%用于計劃，僅有5%用于利用軟件，這與變動位置盤算時期初期的變動位置德律風情形很是類似。在上述盤算才能分派情形下，機械人無法履行智能義務，即機械人盤算的生態體系簡直不存在。
開釋軟件開闢職員的想象力，構成機械人利用軟件的生態體系。本文以為包含感知、定位和計劃在內的基礎操縱應耗費不到20%的盤算才能，從而將80%的盤算才能留給利用軟件，還可界說更多風趣的機械人利用軟件，擴大機械人盤算生態體系。例如，機械人盤算的一個風趣利用軟件是自立變動位置診所，它將可以或許處理醫療辦事的獲取和公正題目，依據病人的指令將醫療辦事送到病人家門口。
機械人盤算體系成長遠景
機械人盤算體系的成長與機械人利用軟件的豐盛水平是相反相成的。對照非常熱絡的人工智能利用軟件，機械人盤算體系從編程說話到硬件架構都存在極好的成長潛力，但以後機械人盤算體系的缺乏也是全棧的、多條理的。
供給開闢者更不難懂得與操縱的編程說話和框架，答應利用軟件層面更機動開闢，束縛軟件開闢者的限制，催生更多風趣的利用軟件。人工智能利用軟件在編程說話層面有著很是成熟且易于應用的框架，例如開源深度進修框架Pytorch進修本錢低且開闢者可以較低本錢開闢多種利用軟件。而對于機械人利用軟件而言，尚未呈現相似Pytorch的編程說話或框架。對于開闢者來說，機械人利用軟件的編程難度極高，需求把握大批關于機械人自己的奇特信息，如傳感器參數、機械人物理模子等。增進機械人利用軟件的迸發，起首需求一套簡練的、可編程的、面向對象的編程說話或框架，便利開闢者對機械人停止編程。
促進機械人財產迸發式增加的要害在于經由過程機械人公用架構的design，供給更多算力。類比通用圖形處置器（GPGPU）、神經收集處置器（NPU）、張量處置器（TPU）之于人工智能算法，機械人的公用架構尚未被明白界說和提出，盡年夜大都機械人仍在應用通用硬件，招致大批算力被用于供給感知、定位、把持等機械人基本盤算上，無法支撐高智能化的利用軟件。
機械人編程說話
由于缺少傑出的體系抽象與運轉時體系來治理及時束縛和體系資本分派，法式員必需把握機械人利用軟件、機械人算法和盤算體系方面的常識，招致機械人的編程任務極具挑釁性。為了將法式員從體系細節中束縛出來，應當在已界說的架構之上開闢一個編程和運轉體系（圖2），讓法式員只需幾行代碼就能開闢出擁有分歧效能的機械人。
今朝，機械人依據其需求履行的各類義務依靠于大批的公用組件，包含定位和導航、目的檢測和躲避等與內部周遭的狀況相干的（硬）及時義務。每個義務都在嚴厲的機能范圍內與其他義務停止數據通訊，但同時很能夠依靠的是判然不同的硬件目的，如應用中心處置器（CPU）停止調劑、應用圖形處置器（GPU）停止神經收集處置、應用現場可編程邏輯門陣列（FPGA）或數字電子訊號處置技巧（DSP）芯片停止圖像處置等。是以，應當有一些具有表示力的“說話”，在高條理上描寫每項義務應包括的內在的事務、恰當的（特定範疇的）語義，同時描寫“說話”之間的接口。
機械人作為一個全體，及時和運轉時高低文可以不受拘束決議在目的義務運轉經過歷程中的某個特按時刻應用底層硬件的哪個部門來運轉。為此，design一套新的範疇公用說話（DSL）是需要的，但還缺乏夠。由于這些機械人至多有部門義務會嚴重依靠機械進修技巧，是以還應當有一種方式將高等描寫下降到中心表現情勢，從而使編譯器可以或許為異構裝備系列天生代碼。
基于數據流圖的機械人編程說話
傳統機械人編程說話的design，其目標并非為了便利開闢者停止開闢，而是為了包管通用且便利底層硬件的履行。盡年夜大都機械人的定位、把持等模塊都基于傳統的面向經過歷程的說話停止開闢，較差的封裝性給利用軟件開闢者帶來了極高的難度。盡管面向全體機械人利用軟件的編程說話或框架尚不存在，但研討職員曾經針對機械人盤算體系中的分歧模塊停止了編程說話或框架的開闢，典範例子如面向視覺感知模塊中的圖像處置公用說話Halide、面向視覺感知模塊中常用算法深包養度神經收集練習與推理的公用框架Pytorch。
為處理機械人利用軟件缺少一個編程說話框架題目，研討職員開闢了一種簡練準確的高等說話，用于表現機械人的盤算圖，即一種原型說話。由于機械人盤算可以用數據流圖來表現，是以函數式編程范式天然為描寫機械人的行動供給了一種有用的方式，有了函數式編程，法式員與開闢者只需幾行闡明和代碼就能描寫利用軟件（圖3）。
基于因子圖的機械人編程框架
研討職員依據前文描寫的原型說話停止了實例化，提出了一個應用Python等高等說話構成的基于因子圖的機械人編程框架。這一編程框架處理了針對利用軟件開闢者凡是對機械人傳感器的物理模子與參數清楚很少、但編程的時辰經常需求應用的題目。將相機、激光雷達、慣性里程計等傳感器模子應用編程框架停止封裝，組成分歧的因子，開闢者依據需求對分歧的因子停止拼接和組裝，構成因子圖。例如，開闢者盼望機械人應用相機和激光雷達停止自我定位，那么開闢者只需求經由過程拔取相機因子和激光雷達因子構建定位的因子圖，即可描寫利用軟件（圖4）。
無論是面向單一模塊或面向全體機械人利用軟件，研討職員的任務都在測驗考試處理機械人編程難這一題目。今朝，機械人盤算體系研討者的共鳴是試圖經由過程面向對象的編程框架對機械人編程中罕見又難以被開闢者把握的傳感器模子停止封裝，從而年夜幅下降機械人編程難度。開闢者應用機械人公用編程說話和框架可以年夜幅進步編程效力。但是，以後的編程模子依然與頂層利用軟件和算法存在必定的差距，研討職員在今朝的研討任務基本上，對機械人編程說話和編纂框架進一個步驟完美，下降開闢者在開闢機械人利用軟件時的難度。
機械人盤算公用架構
賦能機械人多樣才能的要害在于機械人芯片算力的晉陞，而硬件架構的公用化則是完成這一目的的手腕。以變動位置盤算為例，變動位置手機的處置器從效能很是簡略的英國ARM公司生孩子的芯片，逐步提高到以後效能復雜的公用盤算片上體系，包含了電子訊號處置公用電路、圖像處置公用電路、錄像編解碼電路、神經收集推理電路等多種變動位置盤算範疇獨佔的定制電路。定制電路是為機械人design公用化、高算力的片上體系與處理機械人利用算力缺乏的最好道路。以下將摸索并先容3種分歧的公用架構design思緒，包含基于數據流的加快器架構，基于因子圖的加快器架構和基于進修的加快器架構。
基于數據流的加快器架構
基于數據流的加快器架構的焦點思惟是摒棄傳統的依照把持流指定的明白次序履行指令的傳統架構。把持流限制了可以應用指令級并行性（ILP）的窗口，報酬地設置了機能妨礙。在數據流架構中，指令的履行是由數據驅動的，準繩上只需指令的一切輸出可用，指令就會履行，而不是在把持流達到指令時履行。
研討職員凡是可將傳統法式中的瓶頸與機械人軟件中的瓶頸停止類比，兩者都可以經由過程數據流道理加以處理，這種抽象的要害在于機械人的軟件棧。例如，將自立車輛盤算圖（圖5）視為宏數據流圖（M-DFG），此中每個節點代表定位和活動計劃等單個高等義務。這種完成方法催生了數據流加快器架構（DAA）的概念，在這種架構中，加快器經由過程公用的片上緩沖器直接彼此通訊，并自立和諧。這種架構形式有2個上風：供給了更高程度的并行性，只需輸出數據預備停當，每個加快器就會啟動；包養經由過程讓花費者更不難取得操縱數來加速加快器的啟動速率，即經由過程答應生孩子者和花費者應用每個加快器的片上緩沖區直接通訊而不是經由過程主存儲器來完成的。
基于因子圖的加快器架構
機械人公用架構design的一浩劫點在于體系的疏散性和多樣性。分歧于一切智妙手機都具有的效能相似的通訊、編解碼、圖像處置等模塊，機械人依據其形狀、感化等方面的差別，效能模塊差距極年夜。以定位算法為例，室內辦事機械人與室外的主動駕駛car 的定位算法差別極年夜；以定位模塊為例，研討職員提出了大批針對某一種定位算法的公用加快芯片。是以，design機械人的公用架構design并不缺乏點到點的處理計劃，而是缺乏體系級的通用design方式。
研討職員摸索應用因子圖來對分歧機械人算法停止同一design包養網，因子圖是一種表現概率分布函數因子化的圖形，已被用于定位、跟蹤、計劃和把持等很多機械人模塊中。應用因子圖作為一個通用的包養網抽象模板有3個上風：①為機械人優化題目供給了簡練的表現方式，便于機械人法式員構建法式；②圖構造有利于稀少數據的存儲；③機械人優化題目可以依據汗青信息慢慢求解，從而包管高精度和低盤算延遲。
研討職員起首測驗考試應用以因子圖為模版對多個機械人的模塊停止架構design，design了定位、計劃的因子圖加快器構造（圖6），都獲得了遠超于通用架構如英特爾（Intel）桌面處置器的機能和能效表示。同時，由于多個分歧利用都可以經由過程因子圖停止求解，研討職員也design了一款通用的涵蓋定位、計劃、把持算法的機械人公用架構。
基于進修的加快器架構
越來越多的機械人盤算義務都是應用基于Transformer模子等的機械進修完成的，機械人盤算正在從模塊化方式（機械人盤算1.0）向基于機械進修的端到端方式（機械人盤算2.0）成長。機械人盤算2.0中，任何機械人都要履行感知模塊和舉動模塊這2項重要義務，這反應了曩昔和將來的天然對峙：① 感知模塊，經由過程監視進修和自我監視進修停止練習，以揣度降生界狀況的獨一基礎現實；② 舉動模塊，需求從很多可接收的舉動序列中停止搜刮和選擇，同時還要猜測其他代表的行動，故舉動模塊應用了強化進修、模擬進修和模子猜測把持等方式。
感知模塊和舉動模塊在機械人盤算範疇中的完成越來越趨同。比來，年夜說話模子（LLM）在懂得大批信息以履行多個子義務方面獲得了勝利，由于Transformer模子具有泛化才能，是以對于感知模塊和舉動模塊都是很好的算法基底，表白這2個模塊都可以應用基于Transformer模子的相似架構來完成：① 在感知方面，Transformer模子能有用地未來自多個傳感器和多個時辰的感知數據融為同一的表現，防止稀少化和模塊序列化形成的信息喪失；② 外行動方面，變換器的次序性使其很是合適處置和天生時態數據，尤其是對多種能夠的將來途徑停止采樣，是以一種罕見的架構抽象是將重點放在加快變換器的任務負載上，并將感知和舉措義務簡化為分歧情勢的變換盤算，從而年夜年夜簡化編程接口。
機械人盤算技巧瞻望與成長提出
跟著半導體技巧的不竭提高，機械人在傳感、盤算和通訊方面的才能獲得明顯擴大，為多種新興利用供給支撐（圖7）。① 在傳感方面。進步前輩的芯片堆疊式圖像傳感器答應在傳感器外部直接停止高等盤算，例如深度神經收集（DNN）處置后有用削減了數據傳輸本錢，單光子雪崩二極管（SPAD）技巧能捕獲及時的三維場景信息從而戰勝傳統機械式激光雷達的諸多局限。② 在盤算範疇。design機械人盤算體系的要害在于處置來自分歧類型機械人的復雜盤算圖，同時知足及時機能、本錢和動力效力的請求。聯合已界說的機械人盤算架構和多芯片design、異構集成、內存處置以及“光—模—數”協同design等新興技巧，可以或許完成真正的及時機械人利用。③ 在通訊方面。將來的機械人將更多地依靠于機械人本體、邊沿辦事器和云基本舉措措施之間的協作。一起配合式機械人形式的勝利，依靠于高效的通訊技巧。磷化銦/基銦鎵砷（InP/InGaAs）資料的利用能夠會顯包養網著進步通訊帶寬，并處理延遲題目。④ 在算法層面。年夜模子的勝利將“具身智能”的完成變得能夠，機械人的懂得才能，持久計劃才能都由於年夜模子而明顯增加。機械人將可以被用于履行更復雜更高難度的義務，為人類供給更好的辦事。
估計在將來10年，機械人將普遍滲入到各個行業，對全球經濟發生嚴重影響。① 貿易範疇。機械人已成為貿易範疇的主要介入者，帶來立異，進步效力，開闢新的貿易機會；智能家居和辦事機械人在日常生涯中飾演要害腳色，進步家庭主動化程度、幫助家務，為老年人和兒童供給關心。② 產業範疇。將持續推進主動化和生孩子效力的晉陞，在拆卸線、物流和倉儲等範疇施展感化，下降本錢、進步產物東西的品質、延長交付周期，晉陞企業競爭力，為機械人制造商發明新的貿易機會。③ 醫療保健範疇。機械人在手術、診斷和康復方面的利用晉陞手術精度，延長患者恢復時光，能進一個步驟推進醫療立異、改良醫療辦事、下降醫療所需支出。④ 農業範疇。將進步生孩子效力，削減人力本錢，緩解農人的膂力休息，有助于知足全球不竭增加的食物需求，削減食物揮霍。
機械人生態的成長，就像小我盤算和變動位置盤算一樣，將依靠于尺度化的盤算周遭的狀況。假如說英特爾公司1978年發布的16位微處置器x86架構及其軟件生態體系推進了小我盤算時期的成長，那么基于精簡指令集的處置器架構（ARM）及其軟件生態體系則推進了變動位置盤算時期的成長。是以，此刻急切需求界說一個全球化的機械人盤算架構及其軟件生態體系，以推進機械人盤算時期的成長。筆者以為機械人盤算是賦能智能機械人的要害，誰界說了這一盤算架構，在傳感、盤算、通訊和算法層面發生新的衝破，誰就將在將來10年內主導機械人財產的嚴重衝破和成長。
前文曾提到，機械人盤算成長的瓶頸在于利用層面的衝破，而年夜模子與機械人無機聯合的“具身智能”就是一個可見的利用層面的衝破。以後學術界與財產界都非常追蹤關心“具身智能”這一話題，那么“具身智能”能否就是機械人盤算，亦或是在傳統的機械人盤算上發生新的內在的事務，這一點還有很年夜爭辯。但可以斷定的是，“具身智能”的發生和成長，不只離不開本文所述的機械人盤算的生態體系，更是對這平生態體系的反哺，對其提出了新的需求。在利用層面，“具身智能”試圖衝破傳統的機械人利用形式，將機械人融進人類社會，更多地與人類交互，完成更復雜的義務。在算力層面，“具身智能”利用往往觸及更復雜的盤算，也是以具有更高的算力需求。具身智能將給機械人盤算帶來新的成長點和衝破點，是機械人範疇、人工智能算法範疇、半導體範疇都需求追蹤關心的課題。
（作者：劉少山，深圳人工智能與機械人研討院；甘一叫、韓銀和，中國迷信院盤算技巧研討所 ； 《中國迷信院院刊》供稿）
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