創鑫智慧 營運長 陳建良
由AI、Big Data、Cloud Computing、DSA與Energy Efficiency建構的產業逐漸落實，ABCDE發展的大趨勢隱然成形。
AI技術快速發展，模型快速疊代更新，算力需求每3.5個月即翻倍成長［1］，位處台灣的AI新創公司，如何深耕核心技術並把握市場機會，實為一重要課題。本文試從筆者所觀察到的ABCDE趨勢為基礎，闡述研究團隊與公司如何在這個大架構下，找到產品的定位並發揮優勢，藉由參與公開的國際評比錨定技術與產品價值，以質變突破量變的方式，將開發的方案逐步導入市場。
趨勢
人工智慧（AI），大數據（Big Data）與雲端運算（Cloud Computing）的匯聚，創造我們目前的智慧生活。尤其是網路、電商與社群媒體的發展讓人人願意上網並留下數位足跡，業者活化這些資料並加以訓練，萃取出有用的資訊形成個人化的推論模型，也讓生活更智慧。
隨著資料持續累積，龐大的數位資料造成運算上與能耗上的負擔，運算效能與功耗的問題開始被討論，以CPU與GPU為主的雲端運算是否就是最好的運算架構呢？關於這個問題，JOHN L. HENNESSY與DAVID A. PATTERSON兩位大師在New Golden Age for Computer Architecture給了一個參考答案：Domain Specific Architecture （DSA）並以TPU (Tensor Processing Unit) 做實現，也激起雲端業者自行開發晶片與許多新創業者投入專用晶片的開發，以更優異的效能 （Performance）與能效（Energy Efficiency）方案，希望分食Cloud AI Training／Inference Accelerator的大餅。
致力於推進機器學習及AI的開放工程聯盟MLCommons也從2021年起，在測試項目中除效能指標外開始加註power metric［8］，引導廠商注意晶片功耗的問題。因此我們認為AI晶片與產品未來應會以Inference/Joule為性能指標，而不再只是單純的使用TOPS/Watt （No. of MAC x Max. Freq. /Watt）這個效能參數。因為，考量晶片的架構與模型的匹配性、資源的使用率及運算結果的Inference/Joule，對使用者而言才是真正有意義的指標。
由AI、Big Data、Cloud Computing、DSA與Energy Efficiency建構的產業大未來逐漸在產業落實，ABCDE發展的大趨勢隱然成形，如圖1所示。
圖 1 ABCDE趨勢（資料來源：創鑫智慧）
創新
在ABCDE的發展環節中，如何找到切入點，建構技術與產品技術優勢呢？我們以清大林永隆教授實驗室發展的HarDNet為例，說明如何藉由AI模型的創新與功耗優化，做AbcdE式的模型創新，在現有的晶片架構下發揮最大效益。另外，我們以創鑫智慧所發展的RecAccel系統說明如何把握模型與架構之間不匹配造成的價值缺口，以abcDE式的架構創新，解決客戶的痛點。
模型創新：HarDNet
HarDNet，如圖2所示，是由清大林永隆教授研究團隊所發展的CNN骨幹網路之一，藉由減少DenseNet架構中layer之間的連結，降低資料搬運次數，減緩資料吞吐的頻寬壓力，增進整體的運算速度。為了強化layer之間因連結減少造成擷取的特徵值變少，模型準確率下降的問題，研究團隊依晶片的運算特性與On-Chip Memory （Cache）大小，重新設計每一layer的權重數與layer間的連結方式，用增加運算量的方式擷取更多的特徵值，藉此維持模型準確率。簡言之，HarDNet模型特性是可針對不同的晶片架構與On-Chip Memory的大小調整layer數多寡與權重數，優化運算與記憶體頻寬，達到最佳準確率與效能。同時，由於資料進出記憶體是最耗能的動作，降低記憶體進出也達到降低功耗，增進Energy Efficiency。HarDNet的節能優勢在美國史丹佛大學、臉書、加拿大Mila、McGill大學聯合發表的一篇論文得到認可，在多種CNN網路耗電量評測中，HarDNet39ds取得低耗電量的好成績［3］，如圖3所示。。
圖 2 HarDNet （資料來源：Low-memory Traffic HarDNet［2］）
HarDNet的優異效能在電腦視覺領域獲得許多驗證，在2020年全球低運算電腦視覺競賽（Low-Power Computer Vision Challenge, LPCV）中，搭載在FPGA （Ultra96-V2）與指定的手機平台（LG G8）上驗證模型表現，分別獲得第二名與第三名的佳績［10］。
除物件偵測、分類、辨識外，在醫療影像方面，HarDNet的表現也可圈可點，精準度與效能皆已達實用階段。
HarDNet-MSEG：
圖 3 各模型之碳足跡比較（資料來源：［3］）
結直腸癌（CRC）的發病率已位居世界第三很多年了。因此，如何預防CRC是一個重要的全球性問題。早期發現大腸腺瘤性息肉並切除可大大減少CRC的發生率。目前息肉的檢測是由內視鏡醫師手動進行，很大程度上取決於醫生的經驗和能力，因此有必要發展兼具高準確率與高效能的息肉辨識與分割系統，輔助醫師診斷。
HarDNet-MSEG是基於HarDNet68骨幹網路和一個簡單的編碼器-解碼器架構，如圖4所示，在CVC-ColonDB、EndoScene、ETISLarib、Polyp DB、CVCClinic DB 和Kvasir-SEG等資料集的評比中，經第三方的評比，如表1所示，展現極高的精準度與推論效能。
HarDNet-BTS：
在腦部腫瘤的治療方式當中，通常有手術切除、放射治療、全身性藥物治療，而在診斷要使用哪種治療方式時，需要能夠準確看出腫瘤的位置、範圍以及體積，但是想要完成以上條件並不是那麼的容易，若是可以透過AI提供腫瘤的位置以及範圍，如圖5所示，輔助醫師做判讀，將可發揮極大的效益。
圖 5 AI提供腫瘤的位置以及範圍（資料來源：BraTS 2021）
HarDNet-BTS是基於HarDNet的3D模型，參加2021年MICCAI（Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention Society）所舉辦的Brain Tumor Segmentation Challenge（BraTS），在960個參賽團隊中脫穎而出，首次參賽就在驗證階段取得前9名的好成績（依字母排序）［6］，如圖6所示，並受邀發表報告。
圖 6 BraTS 2021驗證階段入圍團隊（資料來源：BraTS 2021）。
架構創新：RecAccel
推薦系統（Recommender System）是一種資訊過濾系統，可用於預測用戶對物品的「評分」或「偏好」，大量應用於各行各業，推薦的對象包括電影、音樂、新聞、書籍、學術論文、搜索查詢等。依據MAXIMIZE Market Research的報告，如圖7所示，全球的推薦系統引擎（Global Recommendation Engine Market）的市場，預估將有大幅度的成長，市場規模從2019年的12億美元成長至2027年的85億美元，是一塊值得耕耘的市場。
隨著數位化轉型，有愈來愈多的資料與使用情境，推薦系統也面臨幾項挑戰：資料量及運算量大，且逐年增加中；運算需即時，30毫秒以內需完成1次推論（Latency bound）；CPU／GPU運算耗電量高（Energy bound）；模型大小與模型準確度限制等，急需有適當的模型、架構與加速方案，解決上述問題，如圖8所示。
圖 7 Global Recommendation Engine Market Overview （資料來源：MAXIMIZE Market Research，2020）
圖8 深度學習推薦系統及其特性（資料來源：創鑫智慧整理2021）。
有別於Content-based Filtering與Collaborative Filtering模型架構，Google於2016年引入深度學習的方式發展推薦系統，以end-to-end的方式建構Wide-and-Deep推薦模型。2019年Facebook更將其使用的深度學習推薦系統模型（DLRM，Deep Learning Recommendation Model）［7］開源，並在OCP大會上剖析其Memory-bound的模型特性與Embedding Table & Lookup負載特性與遭遇到的挑戰，如圖9與圖10所示，之後更將DLRM推入MLCommons（MLPerf）組織，成為Data Center類別重要的測試項目，顯見其重要性。
然而，目前的Cloud AI Inference Accelerator幾乎都是以解決Computing-bound為核心架構，並未考慮到Memory-bound運算模型的需求，造成價值缺口。此外，其架構與運算資源的使用率仍顯偏低，如表2所示，能效上的表現並不理想。
表 2 推論專用晶片比較（資料來源：Microprocessor Report 2020［11］）
RecAccel-FPGA系統，如圖11所示，重新架構推薦系統適用的DSA、記憶體系統與存取機制、打造推薦系統模型壓縮技術與Software Stack等，提升資源使用效率（MAC UT rate達80％以上），大幅提升執行AI推薦系統推論時的效能與能效，同時解決客戶面臨的Memory-bound、Latency-bound與Energy-bound的痛點。 該系統目前已成功完成DLRM系統建置做為POC，並連續參加MLPerf v0.7 、MLPerf v1.0 與MLPerf v1.1推論運算效能評測[7］，是唯一一家新創公司，也是唯一的DSA解決方案。
圖 11 RecAccel-FPGA系統（資料來源：創鑫智慧2021）
創業
根據研究，當產業結構發生重大變革，技術、客戶、市場、政策……等的不連續性造成重大的產業價值缺口時，適合創業家利用時勢創業或具創業家精神的管理團隊開創新事業；當產業相對處於成熟期時，產業上、下游或鄰近產業的價值變遷會造成價值移轉，管理團隊則應密切追蹤產業趨勢，形朔轉型的契機，持續創造價值[9］。
AI被稱作第四次工業革命的核心，具有不連續性的發展特性，對未來生活形式和產業發展的影響既深且廣，正適合創業家投入形塑未來。 創鑫智慧為科技部半導體射月計畫支持之「智慧終端系統晶片研發與新創事業計畫」所技術轉移促成之新創公司，定位在「AI Compute Acceleration Solution Provider」，以優異的學術研究為基底，結合具實務經驗的研發團隊與本土資金，緊扣ABCDE的大趨勢，發展技術、架構與方案，區隔市場並滿足該市場的需求。
HarDNet在醫療影像上的應用已獲得醫師團體的青睞，RecAccel完成POC後也募得開發ASIC的資金，希望創鑫智慧能在Cloud AI Inference Accelerator全球競局中拿下關鍵的一席。
結論
本文從Outside-In的ABCDE的觀點，重新檢視HarDNet與RecAccel的創新方程式，提供給讀者參考。創業家或廠商可依據自身在AI建模、領域資料、運算服務、加速架構或能耗控制等方面的核心能力，在ABCDE的相關環節中定位自己的發展利基，或是結合策略夥伴，構築競爭優勢。 台灣擁有全球最完整的半導體供應鏈、伺服器產業與資通訊體系，且有相當多的臨床醫學數據，值此AI產業革命浪潮發端之際，理應發揮核心能力與在地產業優勢，乘風破浪，開創新局。 帆已揚，東風起，君更何待！
參考文獻
［1］ AI and Compute: https://openai.com/blog/ai-and-compute/
［2］ HarDNet報導: https://www.ithome.com.tw/news/141194
［3］ Peter Henderson, et al., Towards the Systematic Reporting of the Energy and Carbon Footprints of Machine Learning
［4］ Chien-Hsiang Huang, et al., HarDNet-MSEG: A Simple Encoder-Decoder Polyp Segmentation Neural Network that Achieves over 0.9 Mean Dice and 86 FPS
［5］ Raman Ghimire, et al., An Augmentation Strategy with Lightweight Network for Polyp Segmentation
［6］ BraTS Challenge 2021: Conference
［7］ DLRM: https://ai.facebook.com/blog/dlrm-an-advanced-open-source-deep- learning-recommendation-model/
［8］ MLCommon Inference Results: https://mlcommons.org/en/news/mlperf-inference-v11/
［9］ 陳建良，2013，開放式創新模式及演化之研究 - 以GUC為例，國立台灣大學碩士在職專班商學組碩士論文。 ［10］ LPCV: https://lpcv.ai/competitions/2020
［11］ MICROPROCESSOR Report: https://www.linleygroup.com/mpr/article.php?id=12385
