英偉達(dá)：機(jī)器人帶來芯片新需求

　　兩個月前，在臺北電腦展上，英偉達(dá) CEO 黃仁勛驕傲地托起那塊不到巴掌大小的芯片：這就是未來智能機(jī)器人的“大腦”。

　　很多游戲粉絲聽說英偉達(dá)發(fā)了新卡，激動得去搜索相關(guān)的新聞，可看來看去，發(fā)布會上把「十年來最重要創(chuàng)新」、「全球首款光線追蹤 GPU」掛在嘴邊的老黃卻沒怎么提起新品在游戲上的應(yīng)用。游戲粉絲有些失望，核彈還是那個核彈，皮衣也還是那件皮衣，但發(fā)布會上屢屢提起、演示的關(guān)鍵詞卻并不是他們熟悉的 3A 大作了。

　　類似的情況也出現(xiàn)在顯卡測評的視頻里，當(dāng)一位 up 主通過機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練效果來講解 NVIDIA Titan V 顯卡的性能時，彈幕上馬上刷起了「聽不懂」、「在說啥」的聲音。

　　游戲粉絲們也許不是很買賬，但對英偉達(dá)而言，人工智能卻是這家以圖形和計算起家的半導(dǎo)體公司遇上的最好機(jī)會。在深度學(xué)習(xí)井噴式爆發(fā)的那幾年，擅長向量和矩陣運(yùn)算的英偉達(dá) GPU 被許多學(xué)者、研究員用來進(jìn)行研究和訓(xùn)練自己的算法模型，甚至 Google Brain 和吳恩達(dá)這樣頂級的人工智能研究團(tuán)隊和科學(xué)家也在使用英偉達(dá)的設(shè)備，久而久之，英偉達(dá)也將自己的注意力轉(zhuǎn)移到了深度學(xué)習(xí)這一剛剛在產(chǎn)業(yè)里興起的領(lǐng)域。

　    不夠，還不夠智能

　　幾年下來，英偉達(dá)在人工智能領(lǐng)域有了自己的積累，它開始有了新的判斷，專注于底層算力的英偉達(dá)開始思考上層應(yīng)用的方向。

　　人工智能的第一階段，是開發(fā)自動化編程的軟件。第二階段，是將軟件應(yīng)用于行業(yè)的自動化，這種自動化帶來的效率提升會刺激原有的市場。在今年的臺北電腦展上，黃仁勛把人工智能的發(fā)展分為了三個階段，第三階段，是 AI 走出計算機(jī)，影響外部的世界。

　　依黃仁勛的定義，目前我們已經(jīng)處于人工智能發(fā)展的第二階段，即人工智能開始初步應(yīng)用于各行各業(yè)。

　　比如工廠里的人機(jī)協(xié)作，大型機(jī)械很容易在使用時誤傷到人，但如果給這些設(shè)備裝上傳感器，檢測身邊是否有人，實(shí)時作出是否要減速的判斷，在使用時就會安全許多。

　　再比如傳統(tǒng)的拆垛、堆垛設(shè)備，只要給設(shè)備加一個深度傳感器，它就能判斷出箱子的大小位置和重心，這時機(jī)器就能夠判斷出最佳操作位置，從而以最快的速度完成操作。

　　還有超市商場里，每天營業(yè)員都會在關(guān)門后花數(shù)個小時的時間整理、統(tǒng)計當(dāng)天所剩貨品，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有能夠完成點(diǎn)貨和理貨功能的機(jī)器人，這些設(shè)備能給店家省下不少的人力。

　　這些都是時下已經(jīng)投入使用的一些智能機(jī)器，但在英偉達(dá)高級軟件經(jīng)理李銘博士看來，這些智能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

　　加一點(diǎn)智能進(jìn)去，解決當(dāng)前場景最急需的問題，看起來是個智能機(jī)械，但其實(shí)它對整個機(jī)器人本身的促進(jìn)并沒有想象中那么大。

　　李銘博士認(rèn)為，這些智能機(jī)器人普遍存在著一些問題：

　　第一，軟件成本上升太快，在安防、服務(wù)、工廠，不同的場景里有著不同的需求，體現(xiàn)在軟件編程上，軟件架構(gòu)的邏輯可能會全局推翻，這就導(dǎo)致了軟件開發(fā)的成本居高不下。

　　第二，具體到場景里，單個機(jī)械在應(yīng)用時還需要單獨(dú)的調(diào)試。以工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂為例，在工廠里需要為車床量身調(diào)試，設(shè)置具體操作參數(shù)，比如距離產(chǎn)線的距離，50cm 還是 60cm，10cm± 的誤差在生產(chǎn)線上是絕對不允許的。

　　第三，面對環(huán)境的變化適應(yīng)性差，比如工廠里的光線發(fā)生變化，比如室外可能會發(fā)生的各種意外，現(xiàn)有的機(jī)器人是無法應(yīng)對的。

　　第四，軟件更新，當(dāng)功能有增加或者修改時，需要做很多額外的工作，比如改變程序的邏輯，甚至重新編程等等。

　　如前面黃仁勛提到人工智能的三個階段，智能從軟件開始，機(jī)器人從完成固定程序動作的普通機(jī)械，到今天「有一點(diǎn)點(diǎn)智能」的機(jī)器人，依賴的正是人工智能在各自行業(yè)的初步應(yīng)用。所以要解決以上這些智能機(jī)器的問題，還需要回到軟件的層面，回到人工智能身上。

　　機(jī)器該怎么學(xué)習(xí)?

　　人工智能的發(fā)展越來越抽象，越來越復(fù)雜。從早期簡單的是與否的判斷，到后來精準(zhǔn)的識別，可以在復(fù)雜的場景里找出特定的目標(biāo)，再到后來，出現(xiàn) AlphaGo 這樣可以做出主動的決策的 AI，甚至智能如 AlphaGo Zero，可以完全依靠自學(xué)實(shí)現(xiàn)快速成長?？梢钥吹?，軟件的智能水平是領(lǐng)先于我們常見的硬件智能的。

　　那么，人工智能在硬件上的部署遇到了哪些困難呢?

　　首先是計算力。硬件，尤其移動機(jī)器人上能夠搭載的計算力非常有限，這與 AlphaGo 這樣傾全公司算力訓(xùn)練出來的 AI 不同。

　　人工智能經(jīng)過這么長時間的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)的種類、復(fù)雜程度和處理的信息量上都發(fā)生了天翻地覆的變化。網(wǎng)絡(luò)種類上，從早期的 AlexNet 和 GoogleNet 到現(xiàn)在各種各樣的 GAN(生成對抗網(wǎng)絡(luò))以及各種深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)，它們各自網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有不同，開發(fā)者在適應(yīng)最新的網(wǎng)絡(luò)上常常會遇到一些麻煩。

　　網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，處理的信息量也在成倍地增長，算力需求越來越高的情況下，對搭載處理單元的體積有更多限制的機(jī)器人實(shí)際上存在著在智能水平上升級的障礙。

　　其次是訓(xùn)練環(huán)境。對于 AlphaGo、DeepMind，科學(xué)家們可以設(shè)定一個基本規(guī)則，讓它永遠(yuǎn)跑在計算機(jī)里，不停地訓(xùn)練，技巧磨煉得越來越強(qiáng)大，但機(jī)器人的訓(xùn)練卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有這么簡單。

　　在去年的 GTC 大會上，黃仁勛展示了加州大學(xué)伯克利分校的 AI 實(shí)驗(yàn)室所做的曲棍球機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，在一個僅一米左右的直線上，伯克利的曲棍球機(jī)器人「艾達(dá)」足足試了 200 次才熟練地掌握了將球打入門框的技巧。

　　“這還只是曲棍球!”黃仁勛說道，“如果我想抬起一輛汽車呢?如果我想開門呢?如果我想讓機(jī)器人和醫(yī)生配合做手術(shù)呢?”

　　我們不可能讓機(jī)器這么學(xué)習(xí)。

　　這里，英偉達(dá)高級軟件經(jīng)理李銘博士指出，在使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)對機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練時，有三個主要的障礙。

　　第一，真實(shí)世界的訓(xùn)練進(jìn)程太過緩慢，并且成本昂貴。Google 的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)用三個月的時間拿 14 臺機(jī)械手臂完成了 30 萬次的拾取動作的訓(xùn)練，同時還配備了一整隊的工程師「鞍前馬后地照料」這些機(jī)器人。對其他公司或者普通研究人員而言，這樣的成本是完全負(fù)擔(dān)不起的。

　　第二，訓(xùn)練的部分非常危險，可能會造成一定程度的損失。機(jī)器人在訓(xùn)練時是直接與物理世界交互的，任何的碰撞都可能會導(dǎo)致機(jī)體的損傷，甚至可能會對訓(xùn)練的「陪護(hù)」人員造成傷害。

　　第三，訓(xùn)練環(huán)境的搭建非常耗時耗力。以自動駕駛為例，如果要訓(xùn)練汽車在面對前面汽車追尾時的表現(xiàn)，連日常生活中的數(shù)據(jù)都很難收集，更不要說搭建起類似的場景了。

　　NVIDIA 的答案

　　在今年臺北電腦展的發(fā)布會上，英偉達(dá)發(fā)布了 NVIDIA Isaac 機(jī)器人平臺，包含硬件、軟件和虛擬世界機(jī)器人模擬器的 NVIDIA Isaac。

　　同樣在這場發(fā)布會上，黃仁勛還發(fā)布了世界首臺專為機(jī)器人打造的處理器NVIDIA Jetson Xavier，他手托著這臺沒有巴掌大的計算機(jī)，面對媒體說道：“這就是未來智能機(jī)器人的大腦?！?/p>

　　Jetson Xavier 擁有超過 90 億個晶體管，可提供每秒 30 萬億次操作以上的性能，這一處理能力甚至比高性能的工作站還要強(qiáng)大。同時，Xavier 擁有 6 個高性能處理器，包括 1 個 Volta Tensor Core GPU、1 個 8 核 ARM64 CPU、2 個 NVDLA 深度學(xué)習(xí)加速器、1 個圖像處理器、1 個視覺處理器和 1 個視頻處理器。超高的計算能力讓可以直接部署在終端機(jī)器人上的 Jetson Xavier 能夠?yàn)闄C(jī)器人的感知和計算提供基礎(chǔ)算力的保障。

　　軟件上，Jetson Xavier 配備了一個工具箱，包含 API 工具包 Isaac SDK、智能機(jī)器加速應(yīng)用 Isaac IMX 以及高度逼真的虛擬仿真環(huán)境 Isaac Sim。

　　英偉達(dá)在 2017 年的 GTC 上首次發(fā)布了 Isaac 虛擬仿真環(huán)境的部分。只需要普通游戲引擎，開發(fā)者們就可以打造出一個非常仿真的虛擬環(huán)境，在這個 VR 世界里，開發(fā)者可以在其算力支持的條件下，對機(jī)器進(jìn)行盡可能多、盡可能快的訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后，機(jī)器可以直接部署到機(jī)器人上，完成物理世界里的測試。這樣一來就解決了訓(xùn)練環(huán)境的諸多問題。

　　在英偉達(dá)看來，機(jī)器人終歸是要擁有超強(qiáng)的邊緣計算能力的，而目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)階段機(jī)器人應(yīng)用需求的 Jetson Xavier，正是為了下一代自主機(jī)器打造的 AI 計算芯片，在 Isaac 平臺的支持下，機(jī)器無處不在地助力我們?nèi)粘Ｉ罟ぷ?，提高整個社會的效率，終將在不久后成為現(xiàn)實(shí)。