英偉達：機器人帶來(lái)芯片新需求

　　兩個(gè)月前，在臺北電腦展上，英偉達 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(lái)智能機器人的“大腦”。

　　很多游戲粉絲聽(tīng)說(shuō)英偉達發(fā)了新卡，激動(dòng)得去搜索相關(guān)的新聞，可看來(lái)看去，發(fā)布會(huì )上把「十年來(lái)最重要創(chuàng )新」、「全球首款光線(xiàn)追蹤 GPU」掛在嘴邊的老黃卻沒(méi)怎么提起新品在游戲上的應用。游戲粉絲有些失望，核彈還是那個(gè)核彈，皮衣也還是那件皮衣，但發(fā)布會(huì )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(lèi)似的情況也出現在顯卡測評的視頻里，當一位 up 主通過(guò)機器學(xué)習的訓練效果來(lái)講解 NVIDIA Titan V 顯卡的性能時(shí)，彈幕上馬上刷起了「聽(tīng)不懂」、「在說(shuō)啥」的聲音。

　　游戲粉絲們也許不是很買(mǎi)賬，但對英偉達而言，人工智能卻是這家以圖形和計算起家的半導體公司遇上的最好機會(huì )。在深度學(xué)習井噴式爆發(fā)的那幾年，擅長(cháng)向量和矩陣運算的英偉達 GPU 被許多學(xué)者、研究員用來(lái)進(jìn)行研究和訓練自己的算法模型，甚至 Google Brain 和吳恩達這樣頂級的人工智能研究團隊和科學(xué)家也在使用英偉達的設備，久而久之，英偉達也將自己的注意力轉移到了深度學(xué)習這一剛剛在產(chǎn)業(yè)里興起的領(lǐng)域。

　    不夠，還不夠智能

　　幾年下來(lái)，英偉達在人工智能領(lǐng)域有了自己的積累，它開(kāi)始有了新的判斷，專(zhuān)注于底層算力的英偉達開(kāi)始思考上層應用的方向。

　　人工智能的第一階段，是開(kāi)發(fā)自動(dòng)化編程的軟件。第二階段，是將軟件應用于行業(yè)的自動(dòng)化，這種自動(dòng)化帶來(lái)的效率提升會(huì )刺激原有的市場(chǎng)。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(gè)階段，第三階段，是 AI 走出計算機，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(kāi)始初步應用于各行各業(yè)。

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

　　再比如傳統的拆垛、堆垛設備，只要給設備加一個(gè)深度傳感器，它就能判斷出箱子的大小位置和重心，這時(shí)機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(chǎng)里，每天營(yíng)業(yè)員都會(huì )在關(guān)門(mén)后花數個(gè)小時(shí)的時(shí)間整理、統計當天所剩貨品，現在市面上已經(jīng)有能夠完成點(diǎn)貨和理貨功能的機器人，這些設備能給店家省下不少的人力。

　　這些都是時(shí)下已經(jīng)投入使用的一些智能機器，但在英偉達高級軟件經(jīng)理李銘博士看來(lái)，這些智能是遠遠不夠的。

　　加一點(diǎn)智能進(jìn)去，解決當前場(chǎng)景最急需的問(wèn)題，看起來(lái)是個(gè)智能機械，但其實(shí)它對整個(gè)機器人本身的促進(jìn)并沒(méi)有想象中那么大。

　　李銘博士認為，這些智能機器人普遍存在著(zhù)一些問(wèn)題：

　　第一，軟件成本上升太快，在安防、服務(wù)、工廠(chǎng)，不同的場(chǎng)景里有著(zhù)不同的需求，體現在軟件編程上，軟件架構的邏輯可能會(huì )全局推翻，這就導致了軟件開(kāi)發(fā)的成本居高不下。

　　第二，具體到場(chǎng)景里，單個(gè)機械在應用時(shí)還需要單獨的調試。以工業(yè)機器人的機械臂為例，在工廠(chǎng)里需要為車(chē)床量身調試，設置具體操作參數，比如距離產(chǎn)線(xiàn)的距離，50cm 還是 60cm，10cm± 的誤差在生產(chǎn)線(xiàn)上是絕對不允許的。

　　第三，面對環(huán)境的變化適應性差，比如工廠(chǎng)里的光線(xiàn)發(fā)生變化，比如室外可能會(huì )發(fā)生的各種意外，現有的機器人是無(wú)法應對的。

　　第四，軟件更新，當功能有增加或者修改時(shí)，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(gè)階段，智能從軟件開(kāi)始，機器人從完成固定程序動(dòng)作的普通機械，到今天「有一點(diǎn)點(diǎn)智能」的機器人，依賴(lài)的正是人工智能在各自行業(yè)的初步應用。所以要解決以上這些智能機器的問(wèn)題，還需要回到軟件的層面，回到人工智能身上。

　　機器該怎么學(xué)習?

　　人工智能的發(fā)展越來(lái)越抽象，越來(lái)越復雜。從早期簡(jiǎn)單的是與否的判斷，到后來(lái)精準的識別，可以在復雜的場(chǎng)景里找出特定的目標，再到后來(lái)，出現 AlphaGo 這樣可以做出主動(dòng)的決策的 AI，甚至智能如 AlphaGo Zero，可以完全依靠自學(xué)實(shí)現快速成長(cháng)?？梢钥吹?，軟件的智能水平是領(lǐng)先于我們常見(jiàn)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(dòng)機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練出來(lái)的 AI 不同。

　　人工智能經(jīng)過(guò)這么長(cháng)時(shí)間的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò )的種類(lèi)、復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(lèi)上，從早期的 AlexNet 和 GoogleNet 到現在各種各樣的 GAN(生成對抗網(wǎng)絡(luò ))以及各種深度強化學(xué)習的網(wǎng)絡(luò )，它們各自網(wǎng)絡(luò )結構都有不同，開(kāi)發(fā)者在適應最新的網(wǎng)絡(luò )上常常會(huì )遇到一些麻煩。

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

　　其次是訓練環(huán)境。對于 AlphaGo、DeepMind，科學(xué)家們可以設定一個(gè)基本規則，讓它永遠跑在計算機里，不停地訓練，技巧磨煉得越來(lái)越強大，但機器人的訓練卻遠遠沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。

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

　　“這還只是曲棍球!”黃仁勛說(shuō)道，“如果我想抬起一輛汽車(chē)呢?如果我想開(kāi)門(mén)呢?如果我想讓機器人和醫生配合做手術(shù)呢?”

　　我們不可能讓機器這么學(xué)習。

　　這里，英偉達高級軟件經(jīng)理李銘博士指出，在使用深度強化學(xué)習對機器人進(jìn)行訓練時(shí)，有三個(gè)主要的障礙。

　　第一，真實(shí)世界的訓練進(jìn)程太過(guò)緩慢，并且成本昂貴。Google 的機器人實(shí)驗室曾經(jīng)用三個(gè)月的時(shí)間拿 14 臺機械手臂完成了 30 萬(wàn)次的拾取動(dòng)作的訓練，同時(shí)還配備了一整隊的工程師「鞍前馬后地照料」這些機器人。對其他公司或者普通研究人員而言，這樣的成本是完全負擔不起的。

　　第二，訓練的部分非常危險，可能會(huì )造成一定程度的損失。機器人在訓練時(shí)是直接與物理世界交互的，任何的碰撞都可能會(huì )導致機體的損傷，甚至可能會(huì )對訓練的「陪護」人員造成傷害。

　　第三，訓練環(huán)境的搭建非常耗時(shí)耗力。以自動(dòng)駕駛為例，如果要訓練汽車(chē)在面對前面汽車(chē)追尾時(shí)的表現，連日常生活中的數據都很難收集，更不要說(shuō)搭建起類(lèi)似的場(chǎng)景了。

　　NVIDIA 的答案

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

　　同樣在這場(chǎng)發(fā)布會(huì )上，黃仁勛還發(fā)布了世界首臺專(zhuān)為機器人打造的處理器NVIDIA Jetson Xavier，他手托著(zhù)這臺沒(méi)有巴掌大的計算機，面對媒體說(shuō)道：“這就是未來(lái)智能機器人的大腦?！?/p>

　　Jetson Xavier 擁有超過(guò) 90 億個(gè)晶體管，可提供每秒 30 萬(wàn)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大。同時(shí)，Xavier 擁有 6 個(gè)高性能處理器，包括 1 個(gè) Volta Tensor Core GPU、1 個(gè) 8 核 ARM64 CPU、2 個(gè) NVDLA 深度學(xué)習加速器、1 個(gè)圖像處理器、1 個(gè)視覺(jué)處理器和 1 個(gè)視頻處理器。超高的計算能力讓可以直接部署在終端機器人上的 Jetson Xavier 能夠為機器人的感知和計算提供基礎算力的保障。

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

　　英偉達在 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(kāi)發(fā)者們就可以打造出一個(gè)非常仿真的虛擬環(huán)境，在這個(gè) VR 世界里，開(kāi)發(fā)者可以在其算力支持的條件下，對機器進(jìn)行盡可能多、盡可能快的訓練，訓練完成后，機器可以直接部署到機器人上，完成物理世界里的測試。這樣一來(lái)就解決了訓練環(huán)境的諸多問(wèn)題。

　　在英偉達看來(lái)，機器人終歸是要擁有超強的邊緣計算能力的，而目前遠遠超越現階段機器人應用需求的 Jetson Xavier，正是為了下一代自主機器打造的 AI 計算芯片，在 Isaac 平臺的支持下，機器無(wú)處不在地助力我們日常生活工作，提高整個(gè)社會(huì )的效率，終將在不久后成為現實(shí)。