Arm Ethos-U85：滿足物聯(lián)網(wǎng)面向AI時代的高性能需求

隨著人工智能 (AI) 不斷對我們的日常生活產(chǎn)生越來越大的影響，其推理任務(wù)也逐漸從云端遷移到邊緣側(cè)和端側(cè)。邊緣側(cè)推理為板載設(shè)備引入智能化能力，使數(shù)據(jù)能夠在本地進行處理，并實時做出決策，同時提高了數(shù)據(jù)隱私性和安全性。

Arm Ethos NPU

Arm 多年來不斷開發(fā)邊緣 AI 加速器，以滿足邊緣側(cè)和端側(cè)不斷增長的推理工作負載需求。此前兩款成功的 NPU 產(chǎn)品 —— Arm Ethos-U55 和 Ethos-U65，為邊緣側(cè)和端側(cè) AI 應(yīng)用帶來了高性能、高能效的解決方案。

Ethos-U55 通常部署在基于 Cortex-M 的異構(gòu)系統(tǒng)中。而 Ethos-U65 則將 Ethos-U 系列的適用性擴展到基于 Cortex-A 的系統(tǒng)中，并為設(shè)備上的機器學(xué)習(xí) (ML) 能力帶來了兩倍的性能提升。這兩款產(chǎn)品均提供統(tǒng)一的工具鏈，可簡化開發(fā)并支持常見的 ML 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (RNN)。

Transformer 架構(gòu)的影響

于 2017 年問世的 Transformer 架構(gòu)徹底改變了生成式 AI，并成為許多新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的首選架構(gòu)?；?Transformer 架構(gòu)的模型可利用注意力機制處理序列數(shù)據(jù)，并在機器翻譯、自然語言理解、語音識別、分割和圖像字幕生成等多項 AI 任務(wù)中實現(xiàn)優(yōu)異的效果。

這些模型可被調(diào)整和壓縮，在不過多影響準確度的情況下，能高效運行于邊緣設(shè)備上，并在許多邊緣側(cè)和端側(cè)用例中發(fā)揮領(lǐng)先的優(yōu)勢。

全新 Ethos-U85 NPU

依托 Ethos-U 系列 NPU 過往的成功經(jīng)驗，Arm 推出了全新產(chǎn)品 —— Ethos-U85。該處理器秉承此前 Ethos-U NPU 一貫的高性能、高能效設(shè)計理念，并可同時為邊緣側(cè)和端側(cè)設(shè)備上采用 Transformer 架構(gòu)的現(xiàn)有和未來的工作負載提供支持。

Ethos-U85 是 Arm Ethos-U 產(chǎn)品線中的第三代 NPU，也是迄今為止性能和能效最強的 Ethos NPU。與上一代產(chǎn)品相比，該 NPU 的性能提升了四倍，能效提高了 20%，并且可在主流網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)高達 85% 的利用率。全新 Ethos-U85 可滿足諸如工廠自動化和商用或智能家居攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷攀升的性能需求。此外，其專為搭配基于 Cortex-M 或 Cortex-A的系統(tǒng)一同運行而設(shè)計，并容忍高 DRAM 延遲。

Ethos-U85 的主要特性包括：

單周期支持從 128 到 2048 個 MAC 單元的配置 —— 在 1GHz 時，算力可支持從 256 GOPS 到 4 TOPS。

支持 int8 權(quán)重和 int8 或 int16 激活。

支持 Transformer 架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以及 CNN 和 RNN。

硬件原生支持 2/4 稀疏性，使吞吐量翻倍。

內(nèi)部 SRAM 為 29 至 267 KB，多達六個 128 位 AXI5 接口。

支持權(quán)重壓縮，采用標準和快速權(quán)重編碼器。

支持擴展壓縮。

除了 Ethos-U55 和 Ethos-U65 目前支持的算子，通過支持 TRANSPOSE、GATHER、MATMUL、RESIZE BILINEAR 和 ARGMAX 等運算，Ethos-U85 涵蓋了對 Transformer 模型和 DeeplabV3 語義分割網(wǎng)絡(luò)的原生硬件支持。

Ethos-U85 也支持元素級算子鏈化。通過鏈化將元素級運算與先前的運算相結(jié)合，使 SRAM 不必先寫入再讀取中間張量。由此可憑借 NPU 和內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳輸量的減少，提高 NPU 的效率。相比于 Ethos-U65，鏈化是 Ethos-U85 在效率提升上的新功能之一，其余還包括快速的權(quán)重編碼器、優(yōu)化的 MAC 陣列能效，以及提升的元素效率。

圖：Ethos-U85 系統(tǒng)配置

Ethos-U85 可用于與 Ethos-U55 和 Ethos-U65 相同的系統(tǒng)配置流程，并且我們支持從基于 Cortex-A 的系統(tǒng)直接驅(qū)動 Ethos-U85 的功能。

Ethos-U85 支持與上一代 Ethos-U 系列產(chǎn)品相同的軟件工具鏈, 即使用 TFLmicro 運行時。此外，在這個基礎(chǔ)上，Ethos-U85 同時還能為更廣泛采用 Transformer 架構(gòu)的用例提供支持，這對于已經(jīng)投入在基于 Cortex-A/Cortex-M 與 Ethos-U55/Ethos-U65 的系統(tǒng)廠商來說，將能擴大其過往的投資價值。未來，我們預(yù)計將支持面向邊緣設(shè)備的 PyTorch 運行時 ExecuTorch。

Ethos-U85 支持的算子將在 NPU 上進行加速，對于特殊算子不支持的情況，其中部分算子將調(diào)用 CMSIS-NN 庫實現(xiàn)在 Cortex-M系統(tǒng)上進行加速。例如，在 tinyLlama 的用例中，該模型算子可完全映射到 Ethos-U85，沒有算子回退到 CPU。

Ethos-U85 擔任了 Arm 全新物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計平臺 Corstone-320 的核心角色，該參考設(shè)計平臺加快了各類 AIoT 解決方案中高性能 SoC 的開發(fā)和部署。

釋放邊緣 AI 的無限潛力

Ethos-U85 將提供在邊緣側(cè)和端側(cè)設(shè)備上執(zhí)行領(lǐng)先 AI 功能所需的算力。隨著 AI 時代的不斷發(fā)展，我們的合作伙伴將獲得基于 Arm Ethos-U 的可靠、高效兼具高性能的解決方案。我們預(yù)計在新興的邊緣 AI 用例、智能家居、零售或工業(yè)場景中看到 Ethos-U85 被廣泛部署，這些用例和場景需要更高的計算性能，并支持新型的 AI 框架。

Arm 引以為傲的是，我們不斷通過前沿的軟硬件解決方案，為合作伙伴與生態(tài)系統(tǒng)提供強而有力的支持。全新 Ethos-U85 的推出將釋放邊緣側(cè)和端側(cè) AI 推理用例的無限潛能，從而改變世界。Arm 正在引領(lǐng)邊緣 AI 的創(chuàng)新提升至全新水平，并持續(xù)夯實 Arm 成為未來邊緣 AI 的基石。

審核編輯：劉清