圖1. 中國(guó)人工智能市場(chǎng)支出預(yù)測(cè)

與此同時(shí),技術(shù)的飛速發(fā)展也帶來了巨大的人才缺口。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,目前我國(guó)人工智能人才需求缺口達(dá) 500 萬人2,在人才需求結(jié)構(gòu)上,基礎(chǔ)層人才需求尤為迫切。近兩年,國(guó)內(nèi)對(duì)于人工智能人才的需求更是呈現(xiàn)出水漲船高的態(tài)勢(shì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)還顯示,2021年人工智能行業(yè)人才需求指數(shù)較去年增長(zhǎng)103%,其中算法人才缺口達(dá)170萬3,這也成為人工智能教育行業(yè)發(fā)展的巨大動(dòng)力。

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圖2:人工智能行業(yè)人才需求指數(shù)

在此背景下,強(qiáng)化面向青少年等群體的人工智能教育成為社會(huì)的廣泛共識(shí),人工智能教育也逐步被納入到學(xué)校的教學(xué)規(guī)劃中。2017年,國(guó)務(wù)院就印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,明確提出“人工智能成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新焦點(diǎn)。在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程,逐步推廣編程教育” 4,2019年,教育部印發(fā)《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》,設(shè)計(jì)了人工智能相關(guān)主題活動(dòng)。此外,多個(gè)省市的教育機(jī)構(gòu)發(fā)文要求,各地要依托人工智能教育實(shí)驗(yàn)區(qū)和試點(diǎn)校,完善本地區(qū)中小學(xué)人工智能教育工作規(guī)劃,細(xì)化工作分工,健全扶持政策,加快推進(jìn)中小學(xué)校人工智能教育普及化。

教育部教育信息化專家組認(rèn)為,應(yīng)把人工智能列入必修內(nèi)容,目標(biāo)是素養(yǎng)培育,抓手是編程實(shí)踐,需要著重從傳授人工智能基礎(chǔ)知識(shí),進(jìn)行人工智能啟蒙教育;培養(yǎng)學(xué)生使用智能工具的能力;學(xué)習(xí)用編程解決實(shí)際問題,培養(yǎng)計(jì)算思維、創(chuàng)新思維等基本素養(yǎng)等多方面入手,深化教育體制改革5,6。

要推進(jìn)人工智能教育,構(gòu)建人工智能實(shí)訓(xùn)環(huán)境至關(guān)重要,人工智能實(shí)訓(xùn)可以幫助學(xué)生從簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)的人工智能模型訓(xùn)練、推理等流程入手,了解人工智能應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)。因此,越來越多的學(xué)校開始開設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室,在人工智能算力基礎(chǔ)設(shè)施之上提供人工智能教學(xué)課程。

由于人工智能教育的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的人工智能技能,鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)科學(xué)思維7。因此,與企業(yè)的人工智能應(yīng)用相比,部署于 K12 階段的人工智能實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室具備著以下特點(diǎn):

在K12 教育階段,大部分學(xué)生并未接觸過人工智能,因此,學(xué)校需要構(gòu)建“從零開始”的課程培訓(xùn)體系,并支持全流程的人工智能應(yīng)用,這包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型訓(xùn)練、模型部署、模型推理等各個(gè)階段。

其中,在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段,人工智能教育實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室需要支持對(duì)于給定的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理,將其輸入到模型之中;在建模階段,需要為學(xué)生提供適合學(xué)習(xí)階段的預(yù)置模型庫(kù),允許學(xué)生通過訓(xùn)練需求來選擇合適的模型;在部署與推理階段,學(xué)生能夠利用訓(xùn)練好的模型,驗(yàn)證訓(xùn)練的模型能否在精度等方面滿足預(yù)定的目標(biāo)。

人工智能教育實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室的基礎(chǔ)是一整套的人工智能應(yīng)用平臺(tái),核心則是人工智能課程體系。這套課程體系既需要符合信息技術(shù)教材等規(guī)范性要求,還需要針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),提供重點(diǎn)明確、體系完整、功能強(qiáng)大的課程設(shè)計(jì),支持學(xué)生使用簡(jiǎn)單的人工智能工具,進(jìn)行更富主觀能動(dòng)性的探索,實(shí)現(xiàn)從感性引導(dǎo)到興趣實(shí)踐,再到創(chuàng)新應(yīng)用的流程。

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圖3:K 12 階段的人工智能教育目標(biāo)

一般而言,人工智能課程體系需要包括以下內(nèi)容:人工智能課程的課程綱要、教材、代碼示例;面向 人工智能基礎(chǔ)知識(shí)傳授的交互式課程;支持自主模型訓(xùn)練/推理的實(shí)踐應(yīng)用平臺(tái);作業(yè)批改以及評(píng)價(jià)系統(tǒng);師生互動(dòng)應(yīng)用。要支撐這一課程體系,就需要構(gòu)建就緒型的人工智能教育環(huán)境,在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上提供必要的軟件組件。

面向 K12 的人工智能教育實(shí)訓(xùn)室面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前,我國(guó)人工智能教育發(fā)展迅速但尚處于起步階段,存在人工智能教育人才儲(chǔ)備不足,人工智能教育存在技術(shù)瓶頸,人工智能教育產(chǎn)品不完善,人工智能教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)缺乏,人工智能教育可能產(chǎn)生倫理風(fēng)險(xiǎn)等問題8,亟需進(jìn)行持續(xù)的探索與創(chuàng)新。

而從平臺(tái)建設(shè)來看,算力平臺(tái)是人工智能教育實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室構(gòu)建的基礎(chǔ),面向 K12 的人工智能教育場(chǎng)景應(yīng)用有著以下特征,對(duì)于人工智能基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn):

人工智能教育實(shí)驗(yàn)室/實(shí)訓(xùn)室需要解決算力的分配問題,將算力集中在云或數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中有利于實(shí)現(xiàn)更高的靈活度,但可能在集中應(yīng)用的時(shí)候出現(xiàn)算力不足的問題;將算力部署于終端適用于對(duì)本地算力要求更高的應(yīng)用,但在運(yùn)維與管理問題可能會(huì)遇到較大的挑戰(zhàn)。

英特爾人工智能實(shí)訓(xùn)愿景與架構(gòu)參考

為助力打造更高效的人工智能教育實(shí)訓(xùn)環(huán)境,英特爾憑借其不斷創(chuàng)新的產(chǎn)品與技術(shù)體系,以及在 “云邊協(xié)同” 上積累的豐富實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),與人工智能教育解決方案廠商一起為教育機(jī)構(gòu)打造 “云 – 邊 – 端” 架構(gòu)的端到端人工智能實(shí)訓(xùn)解決方案,為師生提供高性能、高可用和靈活可擴(kuò)展的人工智能動(dòng)手實(shí)踐平臺(tái)。

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圖4:典型的 “云 – 邊 – 端” 人工智能教育實(shí)訓(xùn)環(huán)境

其中,邊緣平臺(tái)是人工智能教育實(shí)訓(xùn)環(huán)境的重要基礎(chǔ)平臺(tái),在異構(gòu)硬件融合的基礎(chǔ)上提供了人工智能開發(fā)環(huán)境,為人工智能推理、開發(fā)套件等應(yīng)用提供強(qiáng)大算力支持。特別是對(duì)于 K12 階段的人工智能教育來說,其無需學(xué)校在數(shù)據(jù)中心或云服務(wù)方面進(jìn)行大量投入,就可以搭建更敏捷、更高穩(wěn)定性、更低成本的人工智能實(shí)訓(xùn)室。

此外,方案還能夠提供基于英特爾?架構(gòu)的AI智能硬件開發(fā)套件,包含面向計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、邊緣計(jì)算、推理運(yùn)算等各類實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的外接實(shí)訓(xùn)設(shè)備。結(jié)合不同課程和實(shí)訓(xùn)應(yīng)用場(chǎng)景,配套不同實(shí)訓(xùn)套件,基于英特爾?加速器深度學(xué)習(xí)推理性能,輔助課程實(shí)訓(xùn)模擬,可快速開發(fā)和部署、簡(jiǎn)化軟件開發(fā)。

基于英特爾? 架構(gòu)的蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案

蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案是一套基于本地AI教學(xué)服務(wù)器、課程緊貼高中課標(biāo)、軟硬結(jié)合的整體解決方案,能夠讓學(xué)生學(xué)以致用,保證授課老師課堂高效穩(wěn)定。方案包含了本地AI教學(xué)服務(wù)器、格物象課程實(shí)踐平臺(tái)、拿鐵熊貓智能終端三個(gè)部分。

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圖5:蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案關(guān)系圖

“任何高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最終都將取決于人才的培養(yǎng)和儲(chǔ)備,尤其是最新的人工智能技術(shù)對(duì)現(xiàn)在的老師而言更是如此。蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案為老師與學(xué)生提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的人工智能教育平臺(tái),有助于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)算力資源與完善的人工智能教學(xué)體系的融合,加速人工智能教育的落地?!庇囔o蘑菇云科創(chuàng)教育產(chǎn)品總監(jiān)

蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案能夠提供如下主要功能:

人工智能課程學(xué)習(xí):平臺(tái)中含有20+課時(shí)的AI學(xué)習(xí)課程,主要分為三個(gè)階段,初識(shí)AI技術(shù)基本原理、AI應(yīng)用領(lǐng)域、AI應(yīng)用從淺入深進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過動(dòng)畫模擬效果,學(xué)生能夠?qū)W習(xí)計(jì)算機(jī)視覺、語(yǔ)音等工作原理和工作過程,更清晰和具象的了解運(yùn)算過程,進(jìn)一步理解算法構(gòu)成。

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圖6:模擬卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算動(dòng)態(tài)圖

Python編輯器:平臺(tái)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合,界面上一鍵切換到Python編輯器界面進(jìn)行代碼編輯,撰寫項(xiàng)目,應(yīng)用課程所學(xué)解決問題。

官方案例:平臺(tái)提供了20+官方案例,為初學(xué)者提供簡(jiǎn)單易懂的樣例,能夠更快速的進(jìn)行算法的學(xué)習(xí)和運(yùn)算過程的體驗(yàn)。

圖形用戶界面描述已自動(dòng)生成

圖7:支持學(xué)生導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化訓(xùn)練

AI項(xiàng)目部署與運(yùn)行:學(xué)生可以將制作好的項(xiàng)目直接連通拿鐵熊貓智能終端,通過格物象教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái),能夠?qū)⒅谱骱玫哪P臀募?,進(jìn)行一鍵部署,使得AI項(xiàng)目快速部署和運(yùn)行在主控硬件上。

英特爾助力蘑菇云構(gòu)建高性能、高經(jīng)濟(jì)性的人工智能教學(xué)環(huán)境

在進(jìn)行人工智能教學(xué)方案設(shè)計(jì)時(shí),選擇 GPU 方案還是 CPU 方案通常會(huì)成為一道棘手的“選擇題”。GPU 方案在算力上可以滿足需求,但是,無論是共享 GPU 方案還是終端獨(dú)立 GPU 方案,都涉及到昂貴的 GPU 采購(gòu),而且在兼容性和可擴(kuò)展性等方面都需要較多的開發(fā)工作,帶來更高的應(yīng)用門檻。在典型的教學(xué)環(huán)境中,并發(fā)量通??蛇_(dá)57路,每一路需要4GB-5GB的顯存支持,單張GPU卡只能支持4-5名學(xué)生,因此學(xué)校需要購(gòu)置多張GPU卡,不僅采購(gòu)成本高企,同時(shí)也會(huì)增加能耗成本和管理復(fù)雜性。相較之下,CPU 方案擁有更高的成本優(yōu)勢(shì),而且在進(jìn)行性能優(yōu)化之后,足以滿足高中人工智能教學(xué)對(duì)于訓(xùn)練和推理等應(yīng)用的性能要求。

因此,蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案最終選擇了高性能、面向人工智能進(jìn)行性能優(yōu)化的英特爾?處理器。其中,部署于本地 AI 教學(xué)服務(wù)器的英特爾?至強(qiáng)?可擴(kuò)展處理器內(nèi)置人工智能加速并已針對(duì)工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化,能夠?yàn)楦鞣N高性能計(jì)算工作負(fù)載、AI應(yīng)用以及高密度基礎(chǔ)設(shè)施帶來一流的性能和內(nèi)存帶寬。同時(shí),采用矢量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指令(VNNI)的英特爾? 深度學(xué)習(xí)加速(英特爾? DL Boost)顯著提高了人工智能推理的表現(xiàn)。

此外,蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案還使用了OpenVINO? 工具套件進(jìn)行性能加速,OpenVINO? 工具套件能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的深度學(xué)習(xí)推理應(yīng)用和解決方案的快速部署,可支持開發(fā)人員使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)人工智能框架、標(biāo)準(zhǔn)或自定義層,將深度學(xué)習(xí)推理輕松集成到應(yīng)用中,在英特爾? 硬件(包括加速器)中擴(kuò)展工作負(fù)載并改善性能。借助面向預(yù)推理模型的內(nèi)置模型優(yōu)化器(Model Optimizer,MO),和面向?qū)S糜布铀俚耐评硪妫↖nference Engine,IE)運(yùn)行時(shí),OpenVINO? 工具套件可在英特爾的不同平臺(tái)上部署并加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,能夠在保持精度的同時(shí)顯著提高圖像推理速度。

模型優(yōu)化器是一個(gè)跨平臺(tái)的命令行工具,可實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練環(huán)境和部署環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換,執(zhí)行靜態(tài)模型分析并調(diào)整深度學(xué)習(xí)模型,致力于在終端目標(biāo)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)執(zhí)行能力。它支持從流行的框架(包括 TensorFlow/ONNX/ 模型)到中間數(shù)據(jù)格式(IR,intermediate representation)的離線模型轉(zhuǎn)換。推理引擎則提供了統(tǒng)一的跨平臺(tái)C、C++ 和Python API,用于推理加速和優(yōu)化。

蘑菇云實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,基于英特爾?至強(qiáng)?可擴(kuò)展處理器 + OpenVINO? 工具套件的蘑菇云高中人工智能教學(xué)解決方案能夠在最高并發(fā)量下,支持 57 路教學(xué)應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行,并滿足最長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)間在 5 分鐘之內(nèi),最長(zhǎng)推理時(shí)間在 1 分鐘之內(nèi)的性能指標(biāo)9。尤為重要的是,該算力配置的成本相比主流 GPU 方案大幅降低,性價(jià)比優(yōu)勢(shì)極為顯著。

在終端層面,拿鐵熊貓智能終端采用了英特爾?賽揚(yáng)?處理器,為Python 3、OpenCV、TensorFlow 和 Keras 人工智能開發(fā)環(huán)境配置提供了高效的算力支持,同時(shí)板載了一塊Arduino芯片,兼容Arduino的硬件模塊和軟件類庫(kù)。此外,英特爾?賽揚(yáng)?處理器還具備高可擴(kuò)展性、高兼容性的優(yōu)勢(shì),支持拿鐵熊貓智能終端通過擴(kuò)展口打通開源硬件生態(tài),滿足更多智能場(chǎng)景的教學(xué)實(shí)踐需求。


蘑菇云解決方案英特爾? CPU + A GPU (24GB)英特爾?CPU + B GPU (32GB)英特爾? CPU+ C GPU (4GB)
CPU雙路英特爾?至強(qiáng)?金牌5218R 處理器(20 核 40 線程,2.1GHz)雙路英特爾?至強(qiáng)?金牌5218R 處理器(20 核 40 線程,2.1GHz)雙路英特爾?至強(qiáng)?金牌5218R 處理器(20 核 40 線程,2.1GHz)8 x 雙路英特爾?至強(qiáng)?銅牌 3104 處理器(6 核 6 線程,1.7GHz)
內(nèi)存256 GB DDR4 2666 RECC (16*16GB)256 GB DDR4 2666 RECC (16*16GB)256 GB DDR4 2666 RECC (16*16GB)256 GB DDR4 2666 RECC (16*16GB)
存儲(chǔ)960GB SATA SSD960 GB SATA SSD960 GB SATA SSD8 x 240 GB SATA SSD
獨(dú)立 GPU是,8 x 24G是,6 x 32G是,57 x 4G
解決方案要求
最大并發(fā)流:57支持,無需獨(dú)立顯卡支持,8張顯卡支持,6張顯卡支持,57張顯卡
模型內(nèi)存要求:每個(gè)數(shù)據(jù)流4GB支持支持,8張顯卡支持,6張顯卡支持,57張顯卡
最大并發(fā)流時(shí)的最大訓(xùn)練延時(shí):5 分鐘
最大并發(fā)流時(shí)的最大推理延時(shí):1 分鐘
服務(wù)器數(shù)量:1 臺(tái)
最大并發(fā)流時(shí)的高可靠性是,但可能需要投入更多系統(tǒng)開發(fā)工作是,但可能需要投入更多系統(tǒng)開發(fā)工作是,但可能需要投入更多系統(tǒng)開發(fā)工作
低開發(fā)門檻,快速上市時(shí)間設(shè)計(jì)總體系統(tǒng)架構(gòu)和多塊顯卡間的資源共享機(jī)制極具挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)總體系統(tǒng)架構(gòu)和多塊顯卡間的資源共享機(jī)制極具挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)總體系統(tǒng)架構(gòu)和多塊顯卡間的資源共享機(jī)制極具挑戰(zhàn)性
總體擁有成本小于57000 元(人民幣)

表1:不同解決方案比較圖

總體而言,該方案具備如下優(yōu)勢(shì):

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圖8:蘑菇云人工智能教育方案在某學(xué)校的應(yīng)用

AI為未來教育插上科技翅膀

除了人工智能教學(xué)之外,蘑菇云還致力于利用人工智能加速教育變革,發(fā)力教學(xué)內(nèi)容智能化、教學(xué)互動(dòng)化、教學(xué)任務(wù)自動(dòng)化、學(xué)習(xí)環(huán)境自適應(yīng)化、課程內(nèi)容生成個(gè)性化、學(xué)習(xí)障礙判斷自動(dòng)化等場(chǎng)景,通過人工智能等新技術(shù)幫助教學(xué)內(nèi)容智能化、優(yōu)質(zhì)教學(xué)內(nèi)容在線化,能幫助提升教學(xué)效率、改善教育不公平性。

英特爾和蘑菇云將在人工智能+教育領(lǐng)域開展更加深入的合作,將創(chuàng)新的智慧化產(chǎn)品與技術(shù)賦能到教學(xué)環(huán)境之中,積極推動(dòng)人工智能教育產(chǎn)品與服務(wù)的落地,助力人才的培養(yǎng)。

1 https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prCHC48196321

2數(shù)據(jù)援引自工業(yè)與信息化部人才交流中心發(fā)布的《人工智能產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報(bào)告(2019-2020 年版)》一文

3數(shù)據(jù)援引自拉勾招聘數(shù)據(jù)研究院發(fā)布的《2021人工智能人才報(bào)告》

4 http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm

5 人工智能教育如何進(jìn)校園,中國(guó)教育報(bào) http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/zl_2018n/2018_zl36/201805/t20180521_336578.html

6 周邵錦, 王帆. K-12人工智能教育的邏輯思考:學(xué)生智慧生成之路——兼論K-12人工智能教材[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù), 2019, 29(04):13-19.

7 胡波. 人工智能教育對(duì)于培養(yǎng)中學(xué)生信息素養(yǎng)的作用[J]. 新課程(中), 2018, 000(008):98.

8 何玥玥、呂麗婷、陳嘉耕. 我國(guó)人工智能教育的發(fā)展現(xiàn)狀分析與對(duì)策研究[J]. 教育探索, 2020, No.332(08):22-24.

9 測(cè)試配置:雙路英特爾?至強(qiáng)??牌5218R處理器(40核,80線程,2.1G),256GB總內(nèi)存(DDR4 2666 RECC 16*16GB),960 GB DELL SATA 固態(tài)盤。

10 測(cè)試配置:雙路英特爾?至強(qiáng)??牌5218R處理器(40核,80線程,2.1G),256GB總內(nèi)存(DDR4 2666 RECC 16*16GB),960 GB DELL SATA 固態(tài)盤。

實(shí)際性能受使用情況、配置和其他因素的差異影響。更多信息請(qǐng)見www.Intel.com/PerformanceIndex。

英特爾技術(shù)可能需要啟用硬件、軟件或激活服務(wù)。

具體成本和結(jié)果可能不同。

英特爾未做出任何明示和默示的保證,包括但不限于,關(guān)于適銷性、適合特定目的及不侵權(quán)的默示保證,以及在履約過程、交易過程或貿(mào)易慣例中引起的任何保證。

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