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Arm发表Cortex-M55、Ethos-U55处理器,为IoT装置带来爆炸性效能提升

全球矽智财领导品牌Arm宣布针对机器学习与人工智慧应用,推出Arm Cortex-M55处理器与Arm Ethos-U55神经网路处理器(NPU),能够为微控制器带来480倍机器学习理论效能提升,或50倍实际应用效能提升,同时提供完整的开发工具,强化低功耗物联网与嵌入式装置AI运算的能力。



效能与电力的拔河

Arm台湾总裁曾志光在新品发表会表示,在接下来的5G通讯世代中,超高频宽、超低延迟、超大量连接的特色,会大幅改变终端装置、物连网装置以及AI装置的样貌。曾志光提到在甫结束的CES 2020拉斯维加斯消费性电子展中,主办单位表示2020年时美国具有5G通讯功能的智慧型手机将占有12%的市占率,到了2022年此一数据将大幅成长至67%,这除了表示5G手机的普及之外,也代表5G基础建设(如基地台)将日趋完善。



举例来说我们的手机可以因为5G通讯的超高频宽,用来播放4K甚至8K解析度的超高解析度串流影片,而效能有限的智慧型手机,也可以透过串流的方式播放由云端伺服器负责运算的AR、VR内容,而车用电脑、车联网也受益于超低延迟,而缩短侦测、预警危险的时间,提升行车安全,超大量连接能力也可满足密集而大量的物联网装置连线的需求。



Arm的目标在于提供搭载AI功能的行动装置、车联网、物联网装置「负担得起」(Affordable)的处理器,由于这类装置的尺寸通常很小,因此成本大多比较低,而且也没有充足的空间安装大容量电池,因此而其中的负担除了价格因素之外,电力消耗也是一大重点。所以压低耗电量,以及提升效能,就是新处理器的2大要务。



曾志光在发表会中分享了许多对5G及AI应用的观点。



小至穿戴装置、智慧家电,大到工业应用、交通运输都能看到AI的踪影。



不同的AI装置会有不同的效能需求,对小型装置而言除了要顾及效能外,电力消耗也是一大考量。



新款处理器、NPU带来效能革命

Arm应用工程总监徐达勇则在接下来的简报中,介绍了全新的Cortex-M55处理器与Ethos-U55神经网路处理器,以满足低功耗终端装置的机器学习与人工智慧运算需求。



Cortex-M55是第一款采用Arm v8.1-M架构的处理器,并搭载Arm Helium技术Cortex-M向量延伸指令集(M-Profile Vector Extension,MVE,可以提供高效能与电力效率的向量运算能力,可以比前代Cortex-M提升5倍DSP(数位讯号处理)效能,与15倍机器学习效能。



Ethos-U55则是Arm第一个针对Cortex-M处理器推出的微型NPU神经网路处理器,得以搭配Cortex-M55、Cortex-M33、Cortex-M7、Cortex-M4等处理器使用,可以透过先进的压缩技术,减少电力消耗并显着地缩小机器学习模型尺寸,开发商也可依使用情境选择搭配32、64、128、256组乘积累加运算(Multiply Accumulate,MAC,累加乘法结果的特殊运算单元),提升体积受限的嵌入式与物联网装置之机器学习运算能力。



(笔者注:徐达勇在会后问答中表示,技术上Ethos-U55可以透过共享汇流排(Shared Bus)搭配任何Cortex-M处理器使用,但基于综合效能考量,所以推荐搭配上述处理器。)



徐达勇在会中说明了Cortex-M55与Ethos-U55特色与优势。

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Cortex-M55与前代产品相比,能提升5倍DSP效能与15倍机器学习效能。



Cortex-M55最大的特色就是采用Arm v8.1-M架构与搭载Helium向量延伸指令集。



Ethos-U55则是针对Cortex-M处理器推出的微型NPU神经网路处理器。



提升产品效能与开发速度

从Arm官方提供的理论数据来看,Cortex-M55可以提升15倍机器学习效能,而Ethos-U55则可提升32倍,2者结合后与现有的Cortex-M处理器相比,机器学习理论效能可以大幅提升480倍。但上述的数据毕竟只是理论值,与实际表现一定会有落差,对此Arm官方也提供了在实际环境中所测得的数据。



Arm选择AI语音辨识进行测试,测试过程的运算需求包含语音侦测、消除噪音、双麦克风波束成形、回声消除、等化器、混音、关键字侦测、OPUS解码、自动语音识别等项目,单纯使用Cortex-M55可以提升机器学习的推论速度6倍,并提升7倍电力效率,搭配Ethos-U55则能将上述数据分别提升至50倍与25倍,可见其效果十分显著。



这些新产品除了能提升终端装置的运算速度外,Arm也提供Corstone-300参考设计,以及TrustZone、信任韧体(Trusted Firmware)、平台安全架构(Platform Security Architecture,PSA)等技术,提升装置的安全性,并加快通过认证所需的手续,以增加产品上市的速度。



Arm也为了增加软体开发的工作效率,提供了整合处理器、DSP、神经网路处理器的软体开发环境,让开发者可以在单一环境中,使用1套编译器、1套除错器完成工作,并不像过去要拆分为3项工作,并仰赖3套编译器、3套除错器,可以大幅降低工作复杂度,让开发流程更加流畅。



Cortex-M55搭配Ethos-U55最高能提供480倍机器学习理论效能提升。



在实际应用情境中,也能有约50倍效能提升。



 ▲ Arm提供多种不同处理器选择,能够满足各种机器学习、人工智慧运算需求。



整合式的软体开发环境可以简化并加速开发流程。



Arm也携手晶片制造商、软体商共同建构完整的生态系统。



Cortex-M55与Ethos-U55的智慧财产授权、软体函数库、开发工具现已开始供应,官方估计最快在2021年初就能看到实际搭载这些晶片的产品上市。




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