如何將自動駕駛大模型龐大的能力壓縮到車端？

[首發于智駕最前沿微信公眾號]在人工智能技術的發展進程中，大模型以驚人的泛化能力和邏輯推理水平，正改變著自動駕駛的技術路徑。過去，自動駕駛系統主要依賴于人工規則和模塊化設計，這種方式雖然在受控環境下表現穩定，但在面對復雜多變的城市道路場景和長尾場景時，就顯得捉襟見肘。

隨著深度學習技術的演進，基于Transformer架構的大規模神經網絡開始在感知、預測與規劃任務中占據主導地位，展現出處理復雜交互和理解駕駛環境的巨大潛力。

這些模型一般會在擁有數千顆高性能芯片的云端集群中訓練，其參數規模動輒達到數十億甚至上百億。將這樣龐大的數據塞進一臺汽車顯然不合理。

車載計算平臺在提供算力的同時，還必須在有限的散熱空間、動力電池功耗上限以及嚴苛的成本控制之間尋找平衡。車載環境對計算資源的限制是全方位的，這種限制不僅體現在運算能力上，更體現在顯存帶寬、存儲空間以及實時響應的確定性要求中。

云端模型在推理時可以容忍數秒的延遲，但對于時速百公里的自動駕駛車輛而言，幾毫秒的決策延遲就可能決定生死。此外，由于大模型在運行過程中會產生海量的數據吞吐，車端有限的顯存帶寬會成為系統運行的瓶頸，導致昂貴的計算核心因為“等數據”而處于空轉狀態。

因此，如何將云端大模型的龐大能力，通過科學的手段進行壓縮、精簡與適配，使其在資源受限的車端計算平臺上依然能夠保持精準的判斷力，已成為當前智能汽車研發領域最核心的課題之一。

數值精度轉換與量化技術的部署

在模型壓縮的工具中，量化技術由于其帶來的顯著性能，成為了大模型“下車”的首選手段。量化技術的核心非常簡單，就是用更低精度的數值格式來表示神經網絡中的權重和激活值。

在云端訓練階段，為了保證梯度下降的平滑和計算的準確性，會使用32位浮點數（FP32）進行運算，這相當于為每一個參數提供了一個極其精細的刻度尺。而在實際的駕駛決策中，并不需要這種冗余的精度，就像在日常生活中測量身高不需要精確到微米一樣。

通過將32位浮點數轉化為8位整數（INT8）甚至是4位整數（INT4），模型的存儲占用可以直接縮減到原來的四分之一甚至更少，同時計算吞吐量也能獲得數倍的提升。

這種精度上的妥協并不是沒有代價，數值表示范圍的縮小不可避免地會引入舍入誤差。這種誤差如果在層層疊加后被放大，就會導致模型在識別微小障礙物或判斷遠端車距時出現嚴重的偏差。

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對此可采用量化感知訓練和后量化校準兩種策略來應對這一挑戰。

量化感知訓練是在模型微調階段就引入模擬量化的噪聲，讓模型提前適應“模糊”的參數表示，從而在訓練過程中自主尋找抗干擾能力更強的權重配置。

而后量化校準則是在模型訓練完成后，通過一小段高質量的典型駕駛數據，統計模型各層激活值的分布特征，動態地調整量化的縮放因子，使有限的數值刻度能夠盡可能覆蓋最有意義的信息區間。

特別是在處理Transformer架構中的注意力機制時，由于其數值分布存在極端離群值，如何保護這些關鍵的“少數”信息，決定了量化后模型是否依然具備強大的語義理解能力。

量化后的模型在硬件上的執行邏輯也會發生根本性變化。

像是英偉達的Orin或華為的昇騰系列的車載芯片，都內置了專門針對整數運算加速的張量核心。這些硬件單元能夠在一個時鐘周期內并行處理大量的低比特矩陣乘法，極大地降低了能效比。

量化不僅僅是為了減少計算量，它在緩解帶寬壓力方面同樣功不可沒。由于數據量減半或減至四分之一，顯存到計算單元之間的數據搬運速度會變相提升，這對于受限于帶寬的Transformer類模型而言，恰是性能提升的關鍵。

在一些前沿的部署實踐中，開發者甚至會采用混合精度的策略，即在模型對精度高度敏感的頭部和尾部層保留高位寬，而在中間計算冗余度較高的部分使用極低位寬，從而在保證感知精度的前提下，壓榨出每一分硬件潛能。

神經網絡剪枝與結構精簡

如果說量化是改變數值的表達密度，那么剪枝技術則是在神經網絡的拓撲結構上動手術，移除那些對最終決策貢獻微乎其微的冗余連接。

深度學習模型在設計時其實存在嚴重的“過參數化”現象，這意味著網絡中大量的神經元和連接實際上處于某種程度的冗余狀態。

剪枝的過程就像是園藝師修剪盆栽，通過識別并切斷那些不重要的分叉，讓主干獲得更多的養分。在自動駕駛的語境下，這意味著可以剔除那些在感知道路邊界、識別行人等核心任務中不起作用的權重，從而顯著降低模型的運算量和參數規模。

剪枝分為非結構化剪枝和結構化剪枝兩種。

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非結構化剪枝是在權重矩陣中隨機地將數值較小的參數置零，雖然這種方式能極大程度地保持模型的預測準確性，但現代計算機體系結構更擅長處理整塊的、連續的數據，非結構化剪枝產生的稀疏矩陣在通用的硬件平臺上很難獲得實質性的加速。

結構化剪枝以神經元、特征通道甚至整個層級為單位進行裁減。如通過分析視覺編碼器中不同卷積核的重要性，可以直接關閉掉幾十個對特征提取貢獻較小的通道。雖然這種做法對精度的挑戰更大，但它帶來的硬件加速效果是立竿見影的，因為它直接減少了張量運算的維度。

在針對大模型的剪枝流程中，有些技術會采用一種迭代式的進化策略。

如先通過大規模的數據訓練出一個性能頂尖的冗余模型，接著利用泰勒展開或其他重要性評估指標，識別出那些“閑置”的權重。系統會逐步裁撤這些部分，并在每一輪剪枝后進行短期的恢復訓練，利用知識蒸餾等手段，讓剩余的權重去承接被裁減部分的功能。

這種方式特別適用于具有重復結構的Transformer模型，通過減少多頭注意力機制中的頭數，或者縮減前饋網絡的寬度，可以使模型在保持強大邏輯推理能力的同時，體積大幅縮減。

此外，針對自動駕駛這種多任務并行的場景，剪枝還可以實現在不同任務間共享特征層，避免重復的感知計算，進一步提升系統的整體運行效率。

知識蒸餾與多維框架下的能力遷移

除了在現有模型上做減法，知識蒸餾技術提供了一種從零開始構建高效“學生”模型的新途徑。

知識蒸餾的核心是讓一個小規模的輕量化模型去模仿一個龐大的教師模型的行為。在大模型的語境下，部署在云端的高參數模型擁有極其深邃的特征提取能力和應對復雜長尾場景的“直覺”。

知識蒸餾并不是簡單地讓學生模型去學習教師模型的最終輸出結果，而是讓它去模仿教師模型在中間層產生的概率分布和特征響應。這種被稱為“軟知識”的信息包含了教師模型對不同類別的關聯性判斷。

如它不僅告訴學生“這是一個行人”，還會告訴學生“這個物體在視覺特征上與騎行者有一定的相似度”，這種豐富的語義聯系極大地加速了輕量化模型的學習過程。

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在自動駕駛的端到端大模型部署中，知識蒸餾的應用已經深入到了邏輯推理層面。云端大模型可以作為一個強大的監管者，在訓練過程中為車端的小模型提供高質量的引導信號。

如在處理復雜的十字路口場景時，教師模型可以通過注意力圖譜告訴學生模型，哪些區域的動態障礙物是影響決策的關鍵因素。學生模型雖然參數量只有教師模型的幾分之一，但由于它站在了巨人的肩膀上，能夠專注于學習那些最關鍵的特征表達。

這種跨層級的能力遷移，使得幾十層規模的模型能夠展現出原本需要幾百層才能達到的泛化水平，這對于在功耗受限的車載算力平臺上實現高階智駕功能至關重要。

此外，知識蒸餾在處理長尾數據時也表現出獨特的優勢。自動駕駛中的許多極端場景在訓練集中出現的概率極低。單憑小模型自身很難從海量噪聲中提取出這些微弱的信號，而大模型由于在預訓練階段接觸過更為寬廣的知識庫，其預測結果中蘊含了對這些異常情況的識別能力。

通過蒸餾，這種能力被“固化”到了車端模型的權重中，從而顯著提升了車輛在面對突發狀況時的安全性。此外，這種技術還可以與模型剪枝結合使用，在剪枝后的精簡結構中通過蒸餾快速找回丟失的性能，形成一種閉環的壓縮優化體系。

軟硬件協同優化與車載計算架構的適配

大模型能否在車端跑得穩、跑得快，除了取決于壓縮算法，更取決于算法與底層硬件架構的配合默契程度。

傳統的車載計算平臺設計之初是為了應對卷積神經網絡（CNN）的，其內存層次結構和計算單元的排列方式在處理大模型的Transformer算子時效率較低。Transformer模型中特有的多頭注意力機制涉及到大量的矩陣轉置和非連續內存訪問，這在傳統的總線架構下會造成嚴重的通訊阻塞。

為了解決這一痛點，諸如地平線的征程6系列的車載芯片，就專門引入了“納什架構”，通過增加片上緩存、優化數據流動路徑以及設計專用的Transformer加速引擎，實現了硬件級的效率跨越。

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在這種軟硬件協同的視角下，模型壓縮不再是一個孤立的算法步驟，而是一個面向硬件特征的定制過程。

英偉達的TensorRT編譯器可以針對特定的Orin平臺，自動地將模型中的多個算子進行融合。原本需要分多次從顯存讀寫的操作，在融合后可以一次性在寄存器中完成計算，這極大程度地降低了數據搬運的開銷。

同時，編譯器還會根據硬件的指令周期，動態調整量化后的位寬分布，確保計算資源被分配到最能產生增益的任務上。

此外，針對大模型參數量巨大的特點，車載系統開始采用統一內存架構（Unified Memory），讓感知、預測和規控模塊能夠直接共享同一塊顯存區域，避免了昂貴的跨模塊內存拷貝。

軟硬件協同的另一個重要優勢是實時性保障。

在大模型部署中，由于注意力機制的計算復雜度與輸入序列長度的平方成正比，當傳感器數量增加或視野范圍擴大時，計算量會呈指數級增長。為了防止計算任務在高峰期“塞車”，車載操作系統會引入確定性的調度策略。

通過在硬件層面劃分不同的優先級區域，確保那些涉及緊急剎車或避障的核心規控任務擁有絕對的計算首發權，而一些背景類的地圖優化或非關鍵感知任務則在算力富余時運行。

這種精細化的資源管控，結合壓縮后的輕量化模型，才真正構成了能夠大規模量產的車載智能駕駛大腦。

安全性驗證與壓縮模型的長尾表現

在追求極致性能提升的同時，自動駕駛系統的安全性底線是不容逾越的。

模型壓縮過程中的每一步操作，都必須經過嚴苛的安全性驗證。如平均精度（mAP）這類傳統的算法指標雖然能反映模型的整體水平，但在自動駕駛領域，更應關注模型在“最壞情況”下的表現。

一個壓縮后的模型如果平時表現優秀，但在遇到強光直射或隧道出口突變光線時突然失效，那這種壓縮就是失敗的。

因此，在模型壓縮的后期階段，會引入一系列針對安全性的專門測試，如在仿真環境中的閉環測試，以及針對碰撞風險、軌跡平穩度等核心安全指標的魯棒性評估。

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為了確保壓縮模型在復雜駕駛場景中的可靠性，還發展出了一套完整的“數據飛輪”驗證體系。

在模型下車之前，可利用云端采集的海量高質量駕駛視頻，針對每一個被壓縮的版本進行“影子模式”下的回放測試。通過對比原始大模型與壓縮后模型的決策差異，系統可以自動定位出那些因為壓縮而導致識別能力退化的特定場景。

隨后，針對性地補充相關場景的訓練數據，對壓縮后的模型進行局部的微調。這種“壓縮-驗證-補強”的循環過程，確保了模型即便是在由于量化或剪枝而丟失部分參數的情況下，依然能牢牢記住那些關乎生命安全的關鍵駕駛知識。

最后的話

將自動駕駛大模型的龐大能力壓縮到適合車端部署的形態，不僅推動了車載計算技術的飛躍，也為實現真正無人干預的安全出行奠定了堅實的技術基礎。在未來的道路上，更輕盈、更強大、更安全的自動駕駛模型，將成為自動駕駛落地的關鍵技術手段。