Điện toán biên

Điện toán biên là một mô hình điện toán phân tán, đưa hoạt động tính toán và lưu trữ dữ liệu đến gần vị trí cần thiết hơn, nhằm cải thiện thời gian phản hồi và tiết kiệm băng thông. Thay vì gửi dữ liệu thô đến máy chủ đám mây tập trung để xử lý, điện toán biên thực hiện tính toán cục bộ, tại hoặc gần nguồn dữ liệu. "Biên" này có thể là bất cứ thứ gì, từ điện thoại thông minh, cảm biến IoT đến máy chủ cục bộ tại nhà máy. Cách tiếp cận này là nền tảng để đạt được độ trễ thấp cần thiết cho nhiều ứng dụng AI hiện đại.

Điện toán biên so với các khái niệm liên quan

Điều quan trọng là phải phân biệt điện toán biên với các thuật ngữ liên quan chặt chẽ khác:

• Trí tuệ nhân tạo biên (Edge AI) : Đây là một ứng dụng cụ thể của điện toán biên. Trong khi điện toán biên đề cập đến việc di chuyển bất kỳ loại tính toán nào đến biên mạng, thì AI biên lại liên quan cụ thể đến việc chạy các mô hình học máy và khối lượng công việc AI trực tiếp trên các thiết bị biên. Tất cả AI biên đều là một dạng của điện toán biên, nhưng không phải tất cả điện toán biên đều liên quan đến AI.
• Điện toán đám mây : Điện toán đám mây dựa vào các trung tâm dữ liệu lớn, tập trung để thực hiện các phép tính mạnh mẽ và lưu trữ lượng dữ liệu khổng lồ. Điện toán biên là một mô hình phi tập trung. Hai mô hình này không loại trừ lẫn nhau; chúng thường được sử dụng kết hợp trong một mô hình lai. Một thiết bị biên có thể thực hiện xử lý dữ liệu ban đầu và suy luận thời gian thực , đồng thời gửi dữ liệu ít nhạy cảm với thời gian hơn lên đám mây để phân tích thêm, huấn luyện mô hình hoặc lưu trữ lâu dài.
• Điện toán sương mù: Thường được sử dụng thay thế cho điện toán biên, điện toán sương mù đại diện cho một kiến trúc hơi khác, trong đó một "nút sương mù" hoặc cổng IoT nằm giữa các thiết bị biên và đám mây. Nó hoạt động như một lớp trung gian, xử lý dữ liệu từ nhiều thiết bị biên trước khi đến đám mây, như được mô tả bởi OpenFog Consortium .

Tại sao điện toán biên lại quan trọng đối với AI

Việc chuyển quá trình xử lý AI sang vùng biên mang lại một số lợi thế đáng kể, rất quan trọng cho các ứng dụng hiện đại:

• Độ trễ thấp: Đối với các ứng dụng như xe tự hành và robot , các quyết định phải được đưa ra tính bằng mili giây. Việc chờ dữ liệu truyền đến máy chủ đám mây và trả về thường quá chậm. Điện toán biên cho phép xử lý ngay lập tức trên thiết bị.
• Hiệu quả băng thông: Việc liên tục truyền phát video độ phân giải cao từ hàng nghìn camera an ninh lên đám mây sẽ tiêu tốn rất nhiều băng thông mạng. Bằng cách phân tích video tại biên, chỉ những sự kiện quan trọng hoặc siêu dữ liệu mới cần được truyền đi, giúp giảm đáng kể mức sử dụng băng thông và chi phí.
• Nâng cao quyền riêng tư và bảo mật: Xử lý thông tin nhạy cảm, chẳng hạn như dữ liệu nhận dạng khuôn mặt hoặc phân tích hình ảnh y tế , trên thiết bị cục bộ giúp cải thiện quyền riêng tư dữ liệu bằng cách giảm thiểu việc tiết lộ thông tin trên Internet.
• Độ tin cậy vận hành: Các thiết bị biên có thể hoạt động độc lập với kết nối internet liên tục. Điều này rất quan trọng đối với IoT công nghiệp ở những vùng xa xôi, chẳng hạn như AI trong nông nghiệp hoặc trên các giàn khoan dầu ngoài khơi, nơi kết nối có thể không đáng tin cậy.

Ứng dụng trong thế giới thực

Điện toán biên đang chuyển đổi các ngành công nghiệp bằng cách cho phép AI nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.

1. Sản xuất Thông minh: Trong môi trường nhà máy, camera được trang bị các mô hình thị giác máy tính như Ultralytics YOLO11 có thể thực hiện kiểm soát chất lượng theo thời gian thực ngay trên dây chuyền lắp ráp. Thiết bị biên xử lý dữ liệu video để phát hiện lỗi ngay lập tức, cho phép can thiệp ngay lập tức mà không cần phải gửi cảnh quay lên đám mây. Đây là thành phần cốt lõi của các giải pháp sản xuất thông minh hiện đại.
2. Hệ thống tự hành: Xe tự lái là một ví dụ điển hình về điện toán biên đang được ứng dụng. Chúng được trang bị máy tính tích hợp mạnh mẽ, chẳng hạn như nền tảng NVIDIA Jetson , xử lý dữ liệu từ vô số cảm biến theo thời gian thực để điều hướng, tránh chướng ngại vật và phản ứng với điều kiện đường xá thay đổi. Việc phụ thuộc vào đám mây cho những chức năng quan trọng này sẽ gây ra sự chậm trễ đe dọa tính mạng.

Phần cứng và phần mềm cho The Edge

Để triển khai điện toán biên hiệu quả cần có sự kết hợp giữa phần cứng chuyên dụng và phần mềm được tối ưu hóa.

• Phần cứng: Thiết bị biên bao gồm từ bộ vi điều khiển công suất thấp đến các hệ thống mạnh mẽ hơn. Điều này bao gồm máy tính bảng đơn như Raspberry Pi , thiết bị di động và các bộ tăng tốc AI chuyên dụng như TPU của Google Edge và các GPU khác.
• Phần mềm: Các mô hình AI được triển khai trên biên phải có hiệu suất cao. Điều này thường liên quan đến các kỹ thuật như lượng tử hóa mô hình và cắt tỉa mô hình để giảm kích thước và yêu cầu tính toán. Các công cụ suy luận được tối ưu hóa như TensorRT , OpenVINO và các môi trường chạy cho các định dạng như ONNX được sử dụng để tối đa hóa hiệu suất. Hơn nữa, các công cụ như Docker được sử dụng để đóng gói, giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý các mô hình trên một nhóm thiết bị biên phân tán.