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TOOLS & TECHNOLOGIEN 6 DESIGN&ELEKTRONIK 08 2020 Bild xyz+ | stock adobe com KI auf Mikrocontrollern Ethos-U55 beschleunigt KI-Inferenz auf Cortex-M Der Cortex-M55 ist der erste Cortex-M-Mikrocontroller von Arm der eine »microNPU« eine Neural-Processing-Unit enthält Damit kann KI-Inferenz gegenüber Cortex-M-Controllern ohne diese Recheneinheit deutlich beschleunigt werden Joachim Kroll Convolutional Neural Networks CNNs sind eine vom menschlichen Gehirn inspirierte Rechenarchitektur die für die Erkennung von Inhalten in Bildern und Audiosignalen angewandt wird Die Daten liegen dabei in Form einer Matrix vor deren Werte mit einer Multiply-Accumulate-MAC-Operation verarbeitet werden Bildund Audio-Daten werden typischerweise in 256 Stufen quantisiert was einer Datentiefe von 8 Bit entspricht 8-Bit-MAC-Operationen fehlen der Armv7-Architektur jedoch weshalb Programmierer stattdessen 16-Bit-Befehle verwenden müssen Arm hat unter anderem aus diesem Grund die Vektorerweiterung »Helium« in der Befehlssatzarchitektur v8 1-Meingeführt mit der ein Cortex-M55 in einer 128-Bit-Vektor-SIMD-Operation acht 8-Bit-MACs in einem Zyklus ausführen kann Ohne diese Erweiterung wären acht Zyklen nötig Um die Leistung neuronaler Netzwerke weiter zu steigern stellte Arm bereits im vergangenen Jahr DeepLearning-Beschleuniger vor Das Spitzenmodell ist der Ethos-N77 gefolgt vom Ethos-N57 und -N37 Sie dienen als Beschleuniger für die Cortex-A-CPUs die auf Automobil-Mobilund andere Hochleistungsanwendungen ausgerichtet sind Entwickler können sie mit 512 bis 2048 8-Bit-Intereger-MAC-Einheiten in binären Vielfachen konfigurieren die 1 bis 4 Billionen Operationen pro Sekunde TOPS liefern Der neue Beschleuniger der von Arm als Ethos-U55 bezeichnet wird zielt auf IoT-Endpunkte und andere eingebettete Geräte mit geringem Stromverbrauch ab Um Fläche und Leistung zu sparen unterstützt er nur eine Teilmenge der Maschinenlernanweisungen der größeren Beschleuniger Im Sommer soll der Ethos-U55 zur allgemeinen Lizenzierung freigegeben werden NXP hat sich bereits als Hauptkunde angemeldet Auch STMicroelectronics plant die Ethos-U55-NPU ebenfalls in künftigen Produkten zu verwenden ■ Leistungssteigerung in Etappen Der Cortex-M55 ist der Nachfolger des Cortex-M33 in der Arm v8-M-Reihe aber während der M33 eine einfache dreistufige In-Order-Pipeline hat hat der Basis-M55 vier Stufen plus eine optionale fünfte Stufe für MVE Bild 1 Arm zählt die Retire Trace-Stufe nicht als Teil der ganzzahligen Kern-Pipeline da sie Debug-Befehle betrifft Das UnternehBild 1 Cortex-M55-Pipeline mit Helium Die CPU verfügt über eine vierstufige ganzzahlige Pipeline aber einschließlich der Vektorerweiterung kommt eine fünfte Stufe hinzu Vektorund Fließkomma-Operationen laufen in parallelen Ausführungseinheiten wodurch der M55 in der Lage ist die Leistung zu reduzieren indem er die zweite Pipeline in den Ruhezustand versetzt wenn sie nicht benötigt wird Decode Execution Complex Execution Retire Trace E1 register read E2 processing E3 writeback E0 decode scatter gather address Fetch Cortex-M55 Haupt-Pipeline Erweiterte Pipeline mit Gleitkomma-Einheit und Helium www designelektronik de