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本内容系统讲解嵌入式AI领域关键技术的数学理论基础，涵盖神经网络量化、剪枝、知识蒸馏与架构搜索的核心原理。深入探讨量化中的信息论与优化方法、稀疏网络的数学建模、蒸馏中的信息传递机制，以及神经架构搜索的优化框架，为在资源受限环境下实现高效AI推理提供理论支撑。
EdgeShard是一种基于协作边缘计算的大语言模型（LLM）推理框架，旨在解决LLM在云端部署面临的延迟高、带宽压力大和隐私泄露等问题。通过将LLM分片部署在多个边缘设备上，结合云边协同与设备间协作，EdgeShard实现了高效的模型推理。其核心创新包括：联合设备选择与模型划分优化、支持流水线并行与微批处理、提出EdgeShard-No-Bubbles策略以减少设备空闲时间，从而显著提升推理吞吐量并降低延迟。实验表明，EdgeShard在异构边缘设备上可实现高达50%的延迟降低和2倍的吞吐量提升，支持全精度模型推理而无精度损失，为资源受限的边缘环境提供了高效的LLM部署方案。
Agile-Quant是一种针对大语言模型（LLMs）在边缘设备上高效推理的激活引导量化框架。它通过分析激活特性，提出了一种结合激活引导量化与token剪枝的优化策略，有效缓解了激活量化中的异常值问题，并提升了模型在边缘设备上的推理速度。该方法在LLaMA、OPT和BLOOM等主流LLMs上验证，实现了高达2.5倍的实际加速，同时保持了优异的模型性能。
Mixture of Experts（MoE）架构起源于1991年，其核心思想是通过多个专门化的“专家”网络处理输入的不同部分，并由门控网络动态组合输出。这种架构实现了稀疏激活，仅激活部分专家，从而在模型规模与计算成本之间取得平衡。MoE的关键在于门控机制的设计，如线性门控、噪声Top-K门控等，确保模型能根据输入特征自适应选择专家。
Transformer架构自2017年提出以来，彻底革新了人工智能领域，广泛应用于自然语言处理、语音识别等任务。其核心创新在于自注意力机制，通过计算序列中任意两个位置的相关性，打破了传统循环神经网络的序列依赖限制，实现了高效并行化与长距离依赖建模。该架构由编码器和解码器组成，结合多头注意力、位置编码、前馈网络等模块，大幅提升了模型表达能力与训练效率。从BERT到GPT系列，几乎所有现代大语言模型均基于Transformer构建，成为深度学习时代的关键技术突破之一。
大语言模型的核心算法基于Transformer架构，以自注意力机制为核心，通过Q、K、V矩阵动态捕捉序列内部关系。多头注意力增强模型表达能力，位置编码（如RoPE）解决顺序信息问题。Flash Attention优化计算效率，GQA平衡性能与资源消耗。训练上，DPO替代RLHF提升效率，MoE架构实现参数扩展，Constitutional AI实现自监督对齐。整体技术推动模型在长序列、低资源下的性能突破。
ProxylessNAS是一种直接在目标任务和硬件上进行神经架构搜索的方法，有效降低了传统NAS的计算成本。通过路径二值化和两路径采样策略，减少内存占用并提升搜索效率。相比代理任务方法，ProxylessNAS在ImageNet等大规模任务中展现出更优性能，兼顾准确率与延迟，支持针对不同硬件（如GPU、CPU、移动端）定制高效网络架构。
MINUN是一个专为微控制器设计的高效机器学习推理框架，能精确解决TinyML中的三大挑战：数字表示参数化、位宽分配优化和内存碎片管理。它支持如Arduino和STM32等低功耗设备，显著减少内存占用，同时保持模型精度。
μNAS是一种专为微控制器设计的神经架构搜索方法，旨在解决物联网设备中资源受限的挑战。通过多目标优化框架，μNAS能够在有限的内存和计算能力下，自动搜索出高效的神经网络结构。该方法结合了老化进化算法与贝叶斯优化，并引入结构化剪枝技术，实现模型压缩。实验表明，μNAS在多个数据集上均取得了优异的精度与资源使用平衡，显著优于现有方法，为边缘计算设备的智能化提供了可行路径。
TensorFlow Lite Micro（TFLM）是专为嵌入式系统设计的轻量级机器学习推理框架，适用于仅有几十KB内存的微控制器。它通过极简架构、模块化设计和内存优化策略，在资源受限设备上高效运行TinyML模型，广泛应用于关键词检测、传感器分析、预测性维护等领域。TFLM支持跨平台部署，并允许硬件厂商提供定制优化，兼顾灵活性与性能。
MIT与MIT-IBM Watson AI Lab团队提出一种创新方法，在仅256KB SRAM和1MB Flash的微控制器上实现深度神经网络训练。该研究通过量化感知缩放（QAS）、稀疏层/张量更新及算子重排序等技术，将内存占用降至141KB，较传统框架减少2300倍，首次突破设备端训练的内存瓶颈，推动边缘智能发展。
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2025-10-06
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