全球南边对耗电、贵重的人工智能的代替计划

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简洁的全球南方对耗电、昂贵的人工智能的替代方案的图片

2025年2月20日,Science发布文章《什么是tinyML?全球南边对耗电、贵重的人工智能的代替方案》,文章指出由于许多人工智能模型既耗电又贵重,全球南边国家的研讨人员正越来越多地选用低本钱、低功耗的代替方案。启元洞见共享文章首要内容,为读者供给参阅。

一、tinyML的诞生布景

一架小型无人机绕着腰果树转圈,旋翼臂从其紧凑的机身上扩展开来,就像水黾的旋翼臂相同。在上升过程中,无人机的摄像头捕捉到了树叶的鸟瞰图,树叶从底部的深绿色变为顶部的紫绿色。与此同时,无人机内置的人工智能模型会依据黑色或棕色斑点来判别树叶是否有病,或许是否健康。假如需求,该体系有朝一日能够引导其他无人机飞向单个患病的植物,喷洒杀虫剂医治它们的疾病。

该体系是印度钦奈韦洛雷理工学院核算机科学家巴拉・穆鲁甘(Bala Murugan)的创作。穆鲁甘来自一个腰果栽培农户家庭。“他们在腰果上运用了很多杀虫剂,我想树立一个处理方案,尽量削减杀虫剂的运用。”他说。但他需求一个不需求衔接互联网的处理方案,由于在印度农村区域,互联网衔接往往很难完结。

Murugan运用了自己的技能特长。在攻读博士学位期间,他曾研讨过小型廉价处理器。现在,他意识到在这种小型设备上运转的人工智能模型能够协助像他家这样的农人快速辨认和医治腰果病。他说:“这便是我终究运用tinyML(微型机器学习)的原因。”

二、tinyML的优势

TinyML(Tiny Machine Learning)模型是一种低本钱、低功耗的人工智能完结办法,越来越多地被资源匮乏区域所选用,尤其是在全球南部区域。大言语模型以其多功用性和惊人的类人表达技巧成为新闻焦点,与之构成鲜明对比的是,tinyML设备现在只要适度的专业才能。但是,它们却能带来革新。例如,印度钦奈韦洛雷理工学院核算机科学家巴拉・穆鲁甘(Bala Murugan)开发的装有微型言语模型的无人机能够辨认患有真菌病“炭疽病”的腰果叶,准确率高达95%到99%。它们能够为农人节约他们自己寻觅病害痕迹的时刻。此外,它们还能对患病植物进行针对性医治,然后防止了不加区别地向一切植物喷洒杀虫剂的做法,这种做法既贵重又危害健康和环境。

Murugan是全球南部区域为tinyML寻觅用处的很多研讨人员之一。这些设备能够作为人工智能技能教育的低本钱辅助工具,但它们也为全球北方科技公司没有充沛处理的问题供给了本乡处理方案,从检测植物疾病到追寻野生动物。2020年,微型机器学习设备的出货量约为1500万台,据估计,到2030年,这一数字将增至25亿台。

招引Murugan等人的部分原因是,一旦人工智能模型在个人电脑上练习完结,它一般能够在由日常电池供电的低功耗tinyML设备上运转数周,耗电量与一般激光笔适当。这些设备不需求互联网衔接,而在世界上期望选用人工智能处理方案的资源匮乏区域,互联网衔接或许十分稀缺。伊塔朱巴联邦大学(UNIFEI)的数据科学家马塞洛・何塞・罗瓦伊(Marcelo Jose Rovai)说:虽然功用有限,但我以为tinyML是未来的趋势。这对开展中国家来说太棒了。

与用于运转大言语模型等人工智能的芯片比较,微型机器学习(tinyML)设备要廉价得多,功耗也低得多。总的来说便是小但强壮。且与大模型比较,TinyML模型一般运用较少的数据,只需吸取数千张图画或声响,而大言语模型一般需求数百万张图画或声响。

现在,TinyML模型所依靠的微操控器芯片与洗衣机、轿车安全气囊等各种设备中的微操控器芯片相似。芯片自身很廉价,能够从几家不同的制造商那里买到。因而,现在大多数tinyML设备的价格从几美元到几十美元不等,详细取决于它们的功用有多强壮。这些设备一般不只包含芯片,还包含用于检测图画和声响的摄像头和传感器,以便人工智能模型进行解读。研讨人员开始运用tinyML时所需的大部分软件、硬件和数据集都是开源的,这意味着他们能够自在拜访和修正它们。

三、tinyML的使用范畴

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(一)农业范畴

2020年,山下若昂(João Yamashita )第一次接触到tinyML,其时他正在长途完结本科学位。山下是UNIFEI的一名电子工程师,COVID-19疫情期间他在坐落巴西东南部咖啡栽培区莫吉亚纳保利斯塔的家中度过。山下意识到,许多小农户都在为确诊咖啡植株的疾病而苦恼。进行确诊的专家并不廉价,并且在疫情期间也不会出差。YamashitatinyML寻求或许的处理方案。在运用公共数据集练习了一个通用人工智能模型后,Yamashita去找农人了解巴西特有的咖啡疾病。他说:起先,他们十分置疑。他们中的很多人乃至都没有手机,因而主动检测疾病的人工智能模型十分新颖。

山下在家园山坡上的栽培园里,从一排排咖啡植株上拍照了健康和患病咖啡叶片的相片,以便对模型进行微调。他还搜集了样本,随后在更可控的光线和布景条件下进行拍照。由此发生的模型能以96%到98%的准确率辨认各种咖啡病害,包含真菌病害(如疫霉病、烟霉病和锈病)以及潜叶蛾。农人能够将设备的摄像头对准一片叶子,屏幕上就会显现病害称号和表明模型可信度的分数。山下说:当我向(农人)展现该设备的作业原理时,他们一脸惊奇。

研讨人员在巴西开发了一种细小的ML设备,用于检测咖啡叶片上的各种病害,包含锈病。

Yamashita说,这种设备对贫穷农人来说十分有用。它不需求互联网接入,无需给电池充电就能运用一周或更长时刻,并且本钱不到20美元。这正是tinyML拿手的定制、克己处理方案,也解说了为什么农业一直是该技能的抢手用处。

(二)医疗保健范畴

除了农业,研讨人员还在开发用于医疗保健的tinyML设备,从检测巴西的心房颤动(一种反常心律)到秘鲁的贫血症。多个研讨小组运用这项技能,经过蚊子翅膀的嗡嗡声来区别蚊子的品种,这样就不用用诱捕器搜集蚊子,也不用手动辨认每一只蚊子。这样能够更快地宣布警报,有助于操控传达疾病的蚊种。

例如,罗瓦伊在一个概念验证设备上练习了一个人工智能模型来辨认两种伊蚊,它们能够传达登革热、寨卡和基孔肯雅病毒,准确率高达98%,该设备的电池能够在野外运用4天。他估计该设备在巴西将大有用武之地,由于巴西每年有100多万人感染登革热。在肯尼亚,相似的项目正在运用tinyML对带着疟疾的蚊子进行主动分类。阿卜杜勒・萨拉姆世界理论物理中心(ICTP)的核算机科学家马尔科・泽纳罗(Marco Zennaro)说:能够以主动办法对蚊子进行分类,关于在现场作业的人来说是一个巨大的优势。

(三)环境使用范畴

相似的设备也正在进入环境使用范畴。在阿根廷,研讨人员在乌龟壳的反面粘贴了细小机器学习设备,以追寻这些动物的移动办法和地址。在马来西亚,双威大学的工程师罗斯迪亚迪・诺丁(Rosdiadee Nordin)正在运用tinyML设备监测河流中的塑料废物,这些废物或许会阻止柔嫩的红树林的成长。他和一个志愿者团队搜集了9000张塑料废物图片,对人工智能模型进行练习,直到他们能够对塑料废物进行分类,将塑料瓶群和塑料袋群区别开来。他们方案揭露这些数据,以协助追寻塑料废物的方位、数量和类型。Nordin说:这不只有助于(捡拾废物的人),也有助于当地议会或环保组织进一步规划他们的废物搜集活动。

一个在tinyML设备上运转的人工智能模型正在协助马来西亚的整理作业快速对阻止红树林成长的不同类型废物进行分类。将鼠标悬停在图片上可杰出显现辨认出的物体。

诺丁的作业延伸到马来西亚东部的塔西奇尼湖(Tasik Chini Lake),该湖为当地土著社区供给饮用水和鱼类。Nordin布置了太阳能水质传感器来检测湖中的污染状况,并将信息发送到tinyML设备上,人工智能模型运用这些信息对水质进行猜测。诺丁说:假如咱们能让社区获取水质数据,他们就能了解自己饮用的水是否安全。

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该湖缺少向研讨人员传输数据所需的互联网和手机衔接。为了防止前往每个设备并手动下载数据,Nordin不得不见机行事。他求助于LoRa(一种远距离无线传输协议),与WiFi比较,耗电量和带宽都相对较小,并且能够在数十公里的范围内作业。

其他tinyML研讨人员也在研讨用相同的体系将农业用tinyML设备的数据发送到农人的电脑或手机上。阿波美・卡拉维大学(University of Abomey Calavi)核算机科学专业博士生詹姆斯・阿多拉(James Adeola)说:假如没有长途下载数据的办法,农人就必须翻阅一切这些设备;这既费时又庸俗。假如这个处理方案能够施行,农人们将会十分高兴。

四、tinyML的开展与应战

虽然tinyML设备看似简略,但开发起来却是一项应战。首要,它需求多种技能的专业知识。它结合了硬件、软件和机器学习,Basikolo说。很少有人能做到这一切,因而将一切这些技能结合起来也需求时刻。

研讨人员正试图经过在摩洛哥、巴西、尼日利亚、南非、卢旺达、马来西亚和全球南部的其他国家开办微型机器学习课程和研讨会来传达这些专业知识。例如,2021年,哈佛大学和阿卜杜勒・萨拉姆世界理论物理中心发动了tinyML促进开展学术网络,现在该网络已掩盖全球南部的50个学术组织。包含泽纳罗和哈佛大学核算机科学家维贾伊・贾纳帕・雷迪(Vijay Janapa Reddi)在内的组织者首要向协作组织捐献了tinyML工具包。Zennaro说:当咱们发动这项方案时,咱们发现首要问题是怎么把硬件送到人们手中,由于在美国,低本钱的硬件在其他当地或许依然很贵重。

巴西研讨会的一名与会者正在研讨一种用于在田间检测蚊子的细小ML设备。

在马来西亚、沙特阿拉伯和其他国家的大学里,学生们运用这些工具包进行了练习。只需一两个小时,学生们就能练习tinyML设备辨认当地言语的单词和短语,“这对社区来说很有协助,”Zennaro说。

从本质上讲,tinyML的功用是有限的。山下说:我以为tinyML十分拿手处理细小的问题。运转这些设备的微操控器的内存和核算才能极端有限,这使它们更适合高度特定的使命,而不是通用的商业产品。一个设备能够很好地辨认一种言语中的单词或辨认一栽培物物种的病害,但它不太或许成为通用翻译器或辨认一切植物的病害。

但是,包含苹果和微软在内的全球北方许多科技公司正在意识到直接在设备上运转的小型模型的招引力。关于某些使用,比如在麦当劳点餐,能够在本地设备上而不是云端运转的专门的细小言语模型,本钱和功耗都更低,或许比运转贵重的通用言语模型更有优势。

与此同时,微型机器学习设备自身也在敏捷变得愈加强壮。TinyML敞开教育方案成员、电子工程师彼得・英(Peter Ing)说,就在几年前,在微操控器上运转先进的机器学习模型还被以为是“荒唐的”。Warden现已让一个简略的大言语模型在设备上运转,而这个设备的本钱和功耗只比tinyML设备稍高一些。他想象将有更多的大人工智能模型迁移到这些更小、更省电的设备上,而不是只是依靠数据中心。

与此同时,跟着微操控器不断变得更廉价、更强壮,最简略的tinyML设备或许会变得愈加遍及,有些微操控器现已被开宣布来专门用于运转人工智能。雷迪说:它刚刚到达一个成熟点,咱们现在看到的是能够商业化的处理方案和技能。他开设了一个关于tinyML的免费在线课程,并撰写了一本关于tinyML的开源书本。虽然每个tinyML设备或许相对较小且专业,但许多这样的设备彼此对话,能够协助处理更大、更杂乱的使命。

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