Arm Ethos-U85：滿足物聯網面向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生越來越大的影響，其推理任務也逐漸從云端遷移到邊緣側和端側。邊緣側推理為板載設備引入智能化能力，使數據能夠在本地進行處理，并實時做出決策，同時提高了數據隱私性和安全性。

Arm Ethos NPU

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

Ethos-U55 通常部署在基于 Cortex-M 的異構系統中。而 Ethos-U65 則將 Ethos-U 系列的適用性擴展到基于 Cortex-A 的系統中，并為設備上的機器學習 (ML) 能力帶來了兩倍的性能提升。這兩款產品均提供統一的工具鏈，可簡化開發并支持常見的 ML 神經網絡運算，包括卷積神經網絡 (CNN) 和循環神經網絡 (RNN)。

Transformer 架構的影響

于 2017 年問世的 Transformer 架構徹底改變了生成式 AI，并成為許多新型神經網絡的首選架構?；?Transformer 架構的模型可利用注意力機制處理序列數據，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 任務中實現優異的效果。

這些模型可被調整和壓縮，在不過多影響準確度的情況下，能高效運行于邊緣設備上，并在許多邊緣側和端側用例中發揮領先的優勢。

全新 Ethos-U85 NPU

依托 Ethos-U 系列 NPU 過往的成功經驗，Arm 推出了全新產品 —— Ethos-U85。該處理器秉承此前 Ethos-U NPU 一貫的高性能、高能效設計理念，并可同時為邊緣側和端側設備上采用 Transformer 架構的現有和未來的工作負載提供支持。

Ethos-U85 是 Arm Ethos-U 產品線中的第三代 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%，并且可在主流網絡上實現高達 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網應用不斷攀升的性能需求。此外，其專為搭配基于 Cortex-M 或 Cortex-A的系統一同運行而設計，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 權重和 int8 或 int16 激活。

支持 Transformer 架構網絡，以及 CNN 和 RNN。

硬件原生支持 2/4 稀疏性，使吞吐量翻倍。

內部 SRAM 為 29 至 267 KB，多達六個 128 位 AXI5 接口。

支持權重壓縮，采用標準和快速權重編碼器。

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 語義分割網絡的原生硬件支持。

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合，使 SRAM 不必先寫入再讀取中間張量。由此可憑借 NPU 和內存之間數據傳輸量的減少，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重編碼器、優化的 MAC 陣列能效，以及提升的元素效率。

圖：Ethos-U85 系統配置

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

Ethos-U85 支持與上一代 Ethos-U 系列產品相同的軟件工具鏈, 即使用 TFLmicro 運行時。此外，在這個基礎上，Ethos-U85 同時還能為更廣泛采用 Transformer 架構的用例提供支持，這對于已經投入在基于 Cortex-A/Cortex-M 與 Ethos-U55/Ethos-U65 的系統廠商來說，將能擴大其過往的投資價值。未來，我們預計將支持面向邊緣設備的 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，其中部分算子將調用 CMSIS-NN 庫實現在 Cortex-M系統上進行加速。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 全新物聯網參考設計平臺 Corstone-320 的核心角色，該參考設計平臺加快了各類 AIoT 解決方案中高性能 SoC 的開發和部署。

釋放邊緣 AI 的無限潛力

Ethos-U85 將提供在邊緣側和端側設備上執行領先 AI 功能所需的算力。隨著 AI 時代的不斷發展，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。我們預計在新興的邊緣 AI 用例、智能家居、零售或工業場景中看到 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，為合作伙伴與生態系統提供強而有力的支持。全新 Ethos-U85 的推出將釋放邊緣側和端側 AI 推理用例的無限潛能，從而改變世界。Arm 正在引領邊緣 AI 的創新提升至全新水平，并持續夯實 Arm 成為未來邊緣 AI 的基石。

審核編輯：劉清