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在人工智能的宏偉藍(lán)圖中，AI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大、靈活且高效的框架，以支撐深度學(xué)習(xí)的復(fù)雜需求和挑戰(zhàn)。這不僅是技術(shù)的進(jìn)步，更是對未來智能世界的一次大膽設(shè)想。讓我們揭開AI系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的神秘面紗，探索它們?nèi)绾嗡茉煳覀兊臄?shù)字未來。

深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以總結(jié)為以下幾個(gè)部分。

一、高效編程語言、開發(fā)框架和工具鏈

設(shè)計(jì)更具表達(dá)能力和簡潔的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算原語以及高級編程語言。讓用戶能夠提升 AI 應(yīng)用程序的開發(fā)效率，屏蔽底層硬件計(jì)算的細(xì)節(jié)，更靈活的原語支持。當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型除了特定領(lǐng)域模型的算子和流程可以復(fù)用（如大語言模型 Transformer 架構(gòu)在自然語言處理 NLP 領(lǐng)域被廣泛作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)），其新結(jié)構(gòu)新算子的設(shè)計(jì)與開發(fā)仍遵循試錯(cuò)（Trial And Error）的方式進(jìn)行。那么如何靈活表達(dá)新的計(jì)算算子，算子間的組合以及融合形式，屏蔽經(jīng)典熟知的算子與基礎(chǔ)模型，是算法工程師所需要語言、庫與 AI 開發(fā)框架層所提供的功能支持。

更直觀的編輯、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)工具。讓用戶可以完整的進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)、測試、調(diào)整診斷與修復(fù)和優(yōu)化程序，提升所開發(fā) AI 應(yīng)用程序的性能與魯棒性。訓(xùn)練過程不是一蹴而就，其中伴隨著損失函數(shù) LOSS 曲線不收斂、Loss 值出現(xiàn) NaN 無效值、內(nèi)存溢出等算法問題與算法設(shè)計(jì)缺陷（Bug）。AI 工具鏈與 AI 系統(tǒng)本身如何在設(shè)計(jì)之初就考慮到這點(diǎn)，提供良好的可觀測性、可調(diào)試性、允許用戶注冊自定義擴(kuò)展等支持，是需要工具鏈與 AI 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，所需要在 AI 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初就需要提上日程的，否則之后更多是縫縫補(bǔ)補(bǔ)造成不好的開發(fā)體驗(yàn)與不能滿足的需求，對用戶來說就像使用一個(gè)黑盒且單片的工具。

支持 AI 生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)處理、模型開發(fā)與訓(xùn)練、模型壓縮與推理、安全和隱私保護(hù)等。不僅能構(gòu)建 AI 模型，能夠支持全生命周期的 AI 程序開發(fā)，并在 AI 系統(tǒng)內(nèi)對全生命周期進(jìn)行分析與優(yōu)化。當(dāng)前的 AI 工程化場景，已經(jīng)不是靈感一現(xiàn)和單一的優(yōu)化就能迅速取得領(lǐng)先優(yōu)勢，更多的是能否有完善的 AI 基礎(chǔ)設(shè)施，快速復(fù)現(xiàn)開源社區(qū)工作，批量驗(yàn)證新的想法進(jìn)行試錯(cuò)，所以一套好的完善的全流程的生命周期管理能夠大幅度提升 AI 算法層面的生產(chǎn)力。

二、AI 任務(wù)系統(tǒng)級支持

除了對深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練與推理的支持，還能支持強(qiáng)化學(xué)習(xí)、自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)等新的訓(xùn)練范式。例如，需要不斷和環(huán)境或模擬器交互以獲取新數(shù)據(jù)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方式，批量大規(guī)模提交搜索空間的自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)方式等，這些新的范式造成對之前單一支持單模型之外，在多模型層面，訓(xùn)練與推理任務(wù)層面產(chǎn)生了新的系統(tǒng)抽象與資源，作業(yè)管理需求。

提供更強(qiáng)大和可擴(kuò)展的計(jì)算能力

讓用戶的 AI 程序可擴(kuò)展并部署于可以并行計(jì)算的節(jié)點(diǎn)或者集群，應(yīng)對大數(shù)據(jù)和大模型的挑戰(zhàn)。因?yàn)楫?dāng)前 AI 模型不斷通過大模型，多模態(tài)大模型以產(chǎn)生更好的算法效果，促使 AI 系統(tǒng)需要支持更大的模型、更多模態(tài)的輸入。同時(shí)由于企業(yè) IT 基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，能夠不斷沉淀新的數(shù)據(jù)，也會(huì)伴隨著大數(shù)據(jù)而衍生的問題。大模型與大數(shù)據(jù)促使存儲(chǔ)與計(jì)算層面的系統(tǒng)，在摩爾定律失效的大背景下，迫切需要通過并行與分布式計(jì)算的方式，擴(kuò)展算力與存儲(chǔ)的支持。

自動(dòng)編譯優(yōu)化算法

1）對計(jì)算圖自動(dòng)推導(dǎo)：盡可能的通過符號執(zhí)行或即時(shí)編譯 JIT 技術(shù)，獲取更多的計(jì)算圖信息，讓 AI 開發(fā)框架或者 AI 編譯器自動(dòng)執(zhí)行定制化的計(jì)算優(yōu)化。

2）根據(jù)不同體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)并行化：面對部署場景的多樣化體系結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練階段異構(gòu)硬件的趨勢，AI 開發(fā)框架讓用戶透明的進(jìn)行任務(wù)配置和并行化，以期以最為優(yōu)化的方式在 AI 集群配置下，并行化、減少 I/O、充分利用通信帶寬，逼近硬件提供的極限性能上限。

云原生自動(dòng)分布式化

自動(dòng)分布式并行擴(kuò)展到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，面對云與集群場景，自動(dòng)將 AI 任務(wù)擴(kuò)展與部署，進(jìn)而支撐分布式計(jì)算、彈性計(jì)算，讓用戶按需使用資源，也是云原生背景下，AI 系統(tǒng)所需要考慮和支持的。

3、探索并解決新挑戰(zhàn)下系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和演化

在 AI 系統(tǒng)中會(huì)隨著 AI 算法的發(fā)展，出現(xiàn)了對動(dòng)態(tài)圖、動(dòng)態(tài) Shape 的支持需求，利用網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的稀疏性進(jìn)行壓縮加速優(yōu)化，為了提升訓(xùn)練指標(biāo) TTA 實(shí)現(xiàn)混合精度訓(xùn)練與部署，還有混合訓(xùn)練范式（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)）、多任務(wù)（如自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)）等特性支持。

提供在更大規(guī)模的企業(yè)級環(huán)境的部署需求。如云環(huán)境多租環(huán)境的訓(xùn)練部署需求：面對多組織，多研究員和工程師共享集群資源，以及大家迫切使用 GPU 資源的日益增長的需求，如何提供公平、穩(wěn)定、高效的多租環(huán)境也是平臺(tái)系統(tǒng)需要首先考慮的。

跨平臺(tái)的推理部署需求。面對割裂的邊緣側(cè)硬件與軟件棧，如何讓模型訓(xùn)練一次，跨平臺(tái)部署到不同軟硬件平臺(tái)，也是推理場景需要解決的重要問題。

最后是安全與隱私的需求。由于網(wǎng)絡(luò)模型類似傳統(tǒng)程序的功能，接受輸入，處理后產(chǎn)生輸出，但是相比傳統(tǒng)程序，其解釋性差，造成更容易產(chǎn)生安全問題，容易被攻擊。同時(shí)模型本身的重要信息為權(quán)重，我們也要注意模型本身的隱私保護(hù)。同時(shí)如果是企業(yè)級環(huán)境或公有云環(huán)境，會(huì)有更高的安全和隱私保護(hù)要求。

了解完 AI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宏觀目標(biāo)，可以進(jìn)一步了解，當(dāng)前在人工智能的大生態(tài)環(huán)境中 AI 系統(tǒng)的技術(shù)棧是如何構(gòu)成的，整個(gè)技術(shù)棧中 AI 系統(tǒng)的各=處于哪個(gè)抽象層次，互相之間的關(guān)系是什么。

AI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不僅是技術(shù)規(guī)格的集合，它們是通往智能時(shí)代的關(guān)鍵路徑。隨著這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我們將能夠解鎖新的創(chuàng)新潛力，提高生產(chǎn)效率，并保護(hù)我們的數(shù)據(jù)安全。這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的旅程，但也是一次充滿希望的探險(xiǎn)。讓我們期待AI系統(tǒng)如何繼續(xù)推動(dòng)技術(shù)的邊界，為我們的世界帶來更加智能和互聯(lián)的未來。