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編譯 | 林卓瑋
編輯 | Panken
智東西12月23日消息，據TechXplore報道，香港理工大學的科研人員近日在《自然·電子學》期刊上發佈了一項研究，創造性地提出了近傳感器計算（Near-Sensor Computing）、傳感器內計算（Near-Sensor Computing）的方法。
《近傳感器和傳感器內計算（Near-Sensor and In-Sensor Computing）》一文發佈在《自然·電子學》上
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-00501-9#citeas
在傳統的傳感計算架構中，傳感器和計算單元被分開放置，兩者之間存在一定距離。而在近傳感器計算、傳感器內計算架構中，傳感器和計算單元之間的距離大大縮小，甚至趨近於零。
這兩種計算方法能夠將部分計算任務從計算單元轉移到傳感終端（Sensory Terminal），在減少功耗的同時，還能提升算法的效率，從而更好地應對日益增長的數據計算需求。
該文作者、香港理工大學應用物理學系副教授柴揚博士在接受TechXplore採訪時説道：“物聯網上的傳感器節點數持續高速增加。到2032年，傳感器的數量將達到45萬億，相當於每秒能生成高達1020比特的信息。因此，有必要將部分計算任務從雲計算中心轉移到邊緣設備，減少能耗和時間延遲、節省通信帶寬並增強數據安全性和隱私性。”
一、什麼是近傳感器計算、傳感器內計算？隨着接入互聯網的設備數不斷增加，傳感終端和計算單元之間的冗餘數據傳輸量日益增長。在傳感終端附近或內部進行運算能提高數據處理的效率、降低計算功耗，並減少在傳感終端和處理單元間傳輸的冗餘數據。
在題為《近傳感器和傳感器內計算（Near-Sensor and In-Sensor Computing）》的論文中，柴揚博士及其研究團隊概述了近傳感器計算、傳感器內計算的概念。
由於傳感器和計算單元具有不同的功能，它們的材料、內部結構、設計、處理系統往往也不盡相同。
在傳統的傳感計算架構中，傳感器和計算單元通常是分開放置的，兩者之間存在一定距離。而在近傳感器計算、傳感器內計算架構中，傳感器和計算單元間的距離大大縮短，甚至趨近於零。
在近傳感器計算系統中，處理單元（或加速器）位於傳感器旁邊，處理單元（或加速器）可以在傳感器端點執行特定操作。這種計算方法可以提高系統的整體性能，並最大程度地減少冗餘數據的傳輸。
在傳感器內計算體系中，單個傳感器或多個互聯的傳感器可以直接處理採集到的信息。這種方法既不需要處理單元，也不需要加速器，更無須將傳感單元和計算單元整合在一起。
除了介紹了近傳感器和傳感器內計算的概念，這篇論文還將傳感計算分為低級處理和高級處理兩種。
低級處理指的是通過抑制噪聲或失真、數據預處理，從大量原始數據中初步和選擇性地提取有用數據。高級處理則涉及到認知過程的抽象表徵，需要識別出是“什麼”，以及從“哪裏”輸入信號。
二、兩大技術難題：單元集成難、適用範圍小柴揚博士及其研究團隊目前關注的主要是視覺傳感器。
視覺傳感器採集的數據量巨大，相應地也對計算能力提出了更高的要求。
在此前的一項研究中，柴揚博士和他的同事試圖在傳感終端級別執行信息處理任務，並使用光電電阻式開關存儲陣列（optoelectronic resistive switching memory array）來證明傳感器收集的預處理圖像可以提高圖像識別算法性能。
柴揚博士説：“在這項研究之後，我提出了傳感器內的計算方法，這套方法基於新的硬件平台，能夠以相同或更少的功率同時實現新功能、高性能和高能效。”
然而，近傳感器計算體系和傳感器內計算體系分別面臨着傳感單元和計算單元難集成、適用範圍有限的技術難題。
柴揚博士解釋説：“近傳感器計算體系的一大挑戰便是集成傳感單元和計算單元。儘管單片3D集成技術（monolithic 3D integration）提供了一種提高單元間密度、縮短單元間距離的方法，但其工藝複雜，且存在散熱問題。”
《近傳感器和傳感器內計算（Near-Sensor and In-Sensor Computing）》一文介紹的單片3D集成技術（monolithic 3D integration）
此外，傳感器內計算方法僅適用於特定場景，而且該技術所需的創新材料和設備結構尚還處於開發初期。
三、離實際應用尚有距離柴揚博士説：“近/傳感器內計算是一個跨學科的研究領域，涉及材料、設備、電路、體系結構、算法和集成技術。”
在這篇論文中，柴揚團隊在提出概念之餘，還提出了傳感單元和計算單元的集成方案。他們的研究成果可能會激發學界各領域進一步的研究，以更先進的製造技術實現上述構想。
儘管柴揚團隊目前工作重心主要集中在視覺傳感器上，但是近傳感器和傳感器內計算方法也可以擴展到其他種類的傳感器，如檢測聲音、壓力、污點、化學，甚至生物信號的傳感器。
柴揚博士談到未來的研究計劃時説道：“我們希望將這套方法擴展到不同的應用場景。此外，大多數現有研究仍停留在較小規模，遠遠未達到實際應用的程度。在未來，我們將增加設備數量、將其與外圍電路連接，從而構建一整套系統，進一步探索如何擴大設計規模。 ”
結語：邊緣計算應對爆炸式增長的數據處理需求隨着人工智能、物聯網、5G等前沿技術的落地和發展，接入網絡的終端用户和機器越來越多，整體數據呈爆炸式增長態勢。
面對海量數據的處理需求，中心式的數據處理方式已經難以招架，出現了延遲大、響應慢等問題。
而邊緣計算，作為一項新興計算技術，也越來越多地出現在銀行轉賬等時間性敏感度高的應用場景。
通過在靠近物或數據源頭的一側進行數據處理，邊緣計算大大地提高了運算效率，降低了能耗。
柴揚博士團隊的這項最新研究成果實質上便是物聯網邊緣計算的一種。隨着越來越多的研究團隊投入相關研究，邊緣計算未來將愈發成熟並逐漸擴展應用到更多場景。
來源：TechXplore