當(dāng)我們看到智能手表(如Apple Watch)、協(xié)作型電子白板(如Google Jamboard)或甚至是咖啡機等時下流行的連網(wǎng)設(shè)備，往往都會覺得這一定是“硅谷”這個高科技天堂中最優(yōu)秀、最聰明的人發(fā)明的。確實，許多有著知名品牌背書的產(chǎn)品都來自硅谷。

不過，再仔細想想。近來，這些產(chǎn)品的大多數(shù)底層軟件與硬件經(jīng)常都是來自其他地區(qū)的創(chuàng)新成果。

瑞士，就是一個最佳寫照；特別是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(école polytechnique fédérale de Lausanne；EPFL)。EPFL嵌入式系統(tǒng)實驗室(Embedded Systems Laboratory)主任兼該校教授David Atienza最近接受了《EE Times》采訪，他告訴我們，從EPFL畢業(yè)的許多學(xué)生——目前任職于此處的新創(chuàng)公司，如今都是為連網(wǎng)設(shè)備開發(fā)軟件(或軟件與硬件)的幕后重要推手。雖然Atienza不愿透露他們的名字——無論是個人還是新創(chuàng)公司，但他解釋說，EPFL正迅速發(fā)展成為瑞士的創(chuàng)新中樞。

EPFL嵌入式系統(tǒng)實驗室主任David Atienza

例如，當(dāng)我們在他的辦公室采訪期間，Atienza收到了一個小包裹。拆開禮盒一看，里面躺著一只卡地亞(Cartier)手表。但他隨手就將它送到實驗室去進行拆解，看來在這實驗室中的學(xué)生經(jīng)常拆解一些奢華的手表，就像生物學(xué)家解剖青蛙一樣。

因此，當(dāng)萬寶龍(Montblanc)、豪雅(Tag Heuer)或Cartier等奢華品牌打算為其傳統(tǒng)的鐘表設(shè)計結(jié)合先進的穿戴式技術(shù)時，EPFL通常是他們的優(yōu)先選擇。

洛桑并不是硅谷。但是，EPFL及其創(chuàng)新園區(qū)(Innovation Park；由200多家公司組成)已經(jīng)聚集了多家企業(yè)合作伙伴——包括新創(chuàng)公司和大型企業(yè)，如思科(Cisco)、英特爾(Intel)、羅技(Logitech)和雀巢(Nestlé)等。他們都已經(jīng)在洛桑部署了設(shè)計團隊，就近利用EPFL的優(yōu)勢。

系統(tǒng)級研究

Atienza大力推動系統(tǒng)級研究，并親身投入軟件與硬件的研究。Atienza曾經(jīng)在西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)(Complutense University of Madrid；UCM)取得計算機科學(xué)碩士學(xué)位，隨后又經(jīng)由歐盟(EU)的Sklodowska-Curie杰出青年資助計劃，自IMEC與UCM取得計算機工程的雙聯(lián)博士學(xué)位。他深信硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計，才是智能連網(wǎng)設(shè)備的未來潮流。

他在十年前加入ERFL，期望最終培養(yǎng)出精通軟件與硬件的學(xué)生，因此，在教授學(xué)生時并不只是著重于單獨的計算機科學(xué)或SoC設(shè)計。

這種所謂的“全能”(full-stack)教學(xué)途徑在10或12年前是相當(dāng)新鮮的，由于大多數(shù)的學(xué)術(shù)機構(gòu)都脫離不了傳統(tǒng)課程，因而對于Atienza的想法十分不以為然。然而，EPFL打算放手一搏。

在Atienza眼中的電子世界，現(xiàn)實的情況就是這樣的。過去幾十年來，芯片設(shè)計人員和軟件開發(fā)人員已經(jīng)習(xí)于埋首于自己的事情——他們彼此獨立——前面的人只專心做硬件，后面接手的人就專做軟件開發(fā)。Atienza認(rèn)為這使得兩個社群之間的差距越來越大，而且越來越脫鉤。

Atienza指出，即使時至今日，有些在傳統(tǒng)硬件公司和EDA領(lǐng)域工作的人仍然把“全能開發(fā)視為一種荒謬的想法”。

為什么力推“全能”？

隨著社群之間不斷分化，芯片設(shè)計人員開發(fā)的SoC將會缺乏軟件意識。同時，軟件設(shè)計也無法充份利用系統(tǒng)中的硬件功能。Atienza解釋說，由于你完全不知道其他社群正在開發(fā)什么，最終也只能開發(fā)出次優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計。

然而，產(chǎn)業(yè)開始走向垂直整合。Atienza說：“蘋果公司(Apple)就是一個最佳的例子。Apple由于為其iPhone設(shè)計自家的應(yīng)用處理器，從而定位自家公司必須為其軟件與硬件實現(xiàn)優(yōu)化?！?/p>

“像Apple這樣的大公司，就能夠經(jīng)由采用自家硬件與流程，最終邁向全能開發(fā)。”但是，Atienza指出，其他公司卻經(jīng)常忽略了這一點，因為他們既沒有自己的設(shè)計流程，也缺乏以“更通用方式”促進硬件和軟件“協(xié)同設(shè)計”的EDA工具。

就在上個月，Atienza在意大利Fiuggi的第14屆國際先進計算機架構(gòu)與高性能嵌入式系統(tǒng)編譯暑期學(xué)校(ACACES)教授課程。Atienza說：“在今年的ACACES上，我的教室里擠滿了人——超過200名博士生和專業(yè)人士，他們都在努力地學(xué)習(xí)如何為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)打造完整的軟硬件(HW-SW)協(xié)同設(shè)計堆棧。”

他指出自己也曾經(jīng)是一名學(xué)生，參加了同一所暑期學(xué)校的第一屆課程，重點在于教授經(jīng)典的計算機架構(gòu)。如今，該校的課程融合了硬件和軟件設(shè)計的不同元素。雖然他們教授硬件課程，包括內(nèi)存、GPU和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器等，但也提供系統(tǒng)設(shè)計課程。他解釋說，這將有助于學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)邊緣運算系統(tǒng)、平行軟件開發(fā)、安全性以及實時設(shè)計等。

IoT設(shè)備的演變

IoT設(shè)備的發(fā)展仍然在持續(xù)進展中。但業(yè)界肯定掌握到的一件事是邊緣運算的重要性。Atienza說：“你必須提高硬件運算和數(shù)據(jù)儲存能力，才能讓IoT設(shè)備盡可能地在本地和邊緣處理最多的數(shù)據(jù)?！?/p>

就像Apple Watch從Series 1到Series 2 (GPS)和Series 3 (GPS + Cellular)的演變過程，就是一個很好的例子。

Atienza并以通訊成本為例解釋，透過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機后再發(fā)送到云端，這一筆通訊成本可不小。因此，“你在邊緣能做的事情越多，你的IoT設(shè)備就越有效率。此外，必須發(fā)送到遠程的數(shù)據(jù)越少，就越能保有安全與穩(wěn)私性?！?/p>

除了連接性之外，供應(yīng)商近來對于在IoT設(shè)備中添加AI功能變得越來越有興趣。“但在啟動開發(fā)項目之前，IoT公司首先必須考慮為什么要將他們的設(shè)備連接到因特網(wǎng)，他們期望AI做什么，以及，最重要的是，這些AI如何使消費者受益?！?/p>

例如，在連網(wǎng)燈泡的發(fā)展早期，有些消費者對于使用智能手機就能打開和關(guān)閉燈光感到十分興奮，但卻忘了先想看看究竟是以智能手機進行互動還是直接手動切換墻上開關(guān)比較方便。

Atienza認(rèn)為，AI正蔓延至IoT話題的部份原因在于AI可以“自動化”用戶的決策過程。消費者更期待他們的設(shè)備被“訓(xùn)練”成自主為其做出正確的選擇，而不必不停地被要求在智能手機屏幕上彈出的選單上做選擇。

然而，在IoT設(shè)備上添加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非易事。

Atienza說，“一體適用”(one-size-fits-all)的通用AI并不存在。對于某些IoT設(shè)備，Atienza的團隊嘗試了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和隨機森林(Random Forest)——兩種不同的AI模型，以便于比較其結(jié)果?；谂卸涞哪Ｐ停鏡andom Forest，被認(rèn)為是“更簡單的AI”。Atienza說它的效果更好或比CNN更強大，具體取決于某個IoT設(shè)備所需的可用數(shù)據(jù)集、速度和大小。但是，當(dāng)沒有專家可用于手動制作功能時，CNN可能會更勝于Random Forest。

對于在IoT設(shè)備中優(yōu)化軟硬件(尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器)的IoT系統(tǒng)設(shè)計人員而言，添加AI也為其帶來了更大的壓力。

即使在選擇了AI模型之后，挑戰(zhàn)這才開始，接下來才是真正困難的部份。

AI并未提供有關(guān)如何檢測特征與學(xué)會作出某個結(jié)論的線索。如果少了解讀AI思想的基本能力，Atienza問道：“你如何驗證他們[支持AI的IoT設(shè)備？”他解釋說，他的團隊最終部署了各種相對的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以了解AI正在檢測哪些功能。

當(dāng)然，我們已經(jīng)從汽車界了解到，當(dāng)自動駕駛車制造商必須為其AI驅(qū)動的車輛進行安全驗證時，AI正是其中最棘手的問題。在此情況下，自動駕駛車很可能讓人們的生命受到威脅。

然而，Atienza強調(diào)，“如果支持AI的IoT設(shè)備無法發(fā)揮作用，就會扼殺市場機會，以后人們也不會買賬?！?/p>

Atienza表示，他在EPFL的團隊參與了Nespresso連網(wǎng)咖啡機系列的開發(fā)。該系列的第一款產(chǎn)品已于兩年前推出。下一代Nespresso連網(wǎng)咖啡機計劃于今年秋季推出。

視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=yAxVcAhoT7A&feature=youtu.be

企業(yè)培訓(xùn)

Atienza及其團隊有效利用了EPFL與企業(yè)伙伴的合作成果，提供了為期三天的IoT課程。下一次的課程計劃于9月初開設(shè)，范圍將涵蓋三大主題：針對云端IoT邊緣運算的智能平臺(硬件和軟件設(shè)計、功率/能源要求)、IoT通訊(協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)、最新標(biāo)準(zhǔn))，以及安全的IoT應(yīng)用(工業(yè)4.0和穿戴式IoT設(shè)備等)，包括數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析等實際案例研究。

Atienza也在中國深圳和香港私下提供類似的課程，特別是提供給一些大型的中國企業(yè)。

Atienza認(rèn)為，在企業(yè)內(nèi)部提供培訓(xùn)至關(guān)重要?！肮就ǔＮ茨苷嬲x其IoT設(shè)備應(yīng)該做些什么，他們往往缺乏深厚的技術(shù)能力，也不了解系統(tǒng)背后的運算成本及其隨著增加更多功能帶來的更多成本?！彼f經(jīng)?？吹揭恍┕厩笾谄溟_發(fā)團隊，要求開發(fā)可支持“藍牙、應(yīng)用程序(App)、AI和區(qū)塊鏈(blockchain)”的IoT設(shè)備。這些要求都是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IoT清單的熱門關(guān)鍵詞。

但是，Atienza表示，最重要的項目卻從未列入此清單中：“它對于消費者有什么好處？”

在接下來的幾頁中，我們將透過圖片看看EPFL學(xué)生們正在進行中的一些計劃，并且來個瑞士EPFL校園之旅。

校園健身監(jiān)測計劃

EPFL在校園中推出了一項健身監(jiān)測計劃。它連手洛桑大學(xué)(University of Lausanne)、運動與健康中心(Sports and Health Center)以及當(dāng)?shù)匾患倚聞?chuàng)公司Be.care，共同“建立了一個架構(gòu)，透過最新的穿戴式技術(shù)(智能手表和智能手機的客制App)，使用校園中學(xué)生和教職員的數(shù)據(jù)”。

從每個EPFL學(xué)生參與者定期取得的數(shù)據(jù)報括心率、心律變動性、訓(xùn)練負(fù)載和參與者的問卷答案等。其目標(biāo)在于量化每位使用者的壓力和緊張指標(biāo)。

根據(jù)這項健身計劃，收集到的資料將會被發(fā)送到Be.care云端系統(tǒng)，接著在Be.care的AI系統(tǒng)將會計算生物-數(shù)字簽名，并與運動與健康中心合作提出簡單的解決方案，以改善復(fù)原或改變學(xué)生的日常習(xí)慣。

以下幾張照片則是EPFL嵌入式系統(tǒng)實驗室開發(fā)的軟件與硬件建構(gòu)模塊。

Feavr開發(fā)項目

EPFL嵌入式系統(tǒng)實驗室的學(xué)生開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(VR)游戲App，可連接至平板電腦、智能手機和智能手表。隨著VR游戲中的恐懼因素增加(例如改變在地牢內(nèi)的照明)，透過可穿戴設(shè)備即可監(jiān)控游戲玩家的心率。

視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=oQnXzDU-cwg&feature=youtu.be

EPFL創(chuàng)新園區(qū)

EPFL創(chuàng)新園區(qū)由13棟建筑物組成，包括新創(chuàng)公司、中小企業(yè)(SME)和幾家公司的研發(fā)團隊。這些公司的研發(fā)活動包括信息技術(shù)、運算、健康和營養(yǎng)，到工程、運輸電信或材料等。

EPFL圖書館

EPFL圖書館(EPFL Library)為學(xué)生、研究人員和教授提供先進的服務(wù)。這座公共圖書館位于EPFL的勞力士學(xué)習(xí)中心(Rolex Learning Center)，于2010年落成，其藏書可供所有感興趣的人借閱。

ArtLab大樓

ArtLab是EPFL校園的文化和藝術(shù)活動中心。

SwissTech會議中心

位于EPFL校園附近的SwissTech會議中心是日內(nèi)瓦湖(Lake Geneva)地區(qū)最大的會議中心之一。

洛桑市中心

（圖片：David Benjamin）