Arm发布Cortex M55内核与Ethos U55 microNPU

近日，ARM 不仅宣布了最新的 Cortex-M 系列内核（最新的 Cortex M55），还引入了Ethos U55 microNPU 等改进。ARM 希望通过新的 IP，于将来几年内为数十亿低功耗嵌入式设备提升机器学习和推理能力，扩展自家产品组合，以满足新的用例需求。

（题图 via AnandTech ）

过去几年，机器学习技术的应用已变得相当普及，可见其在广泛的行业和各种系统中。ARM 认为终端 AI 市场会在未来几年中迎来爆炸性增长，新 IP 就是为此做准备。

首先介绍下 Cortex-M55，它是与 M33 联系更加紧密的新一代 IP，引入了体系架构上的新改进，能够在机器学习和矢量指令方面实现较大的性能和灵活性改进。

Ethos-U55 是专用的 microNPU 推理加速器，可与 Cortex-M 系列 CPU 结合使用，带来专门面向于 NPU 的性能与能效提升。

与 Cortex-M 系列内核一样，Ethos-U55 的空间占用也比较少。至于 Cortex-M55，则是首款具有 Helium / 定制指令能力的 CPU 内核。

Helium 特指 M-Profile Vector Extension（简称 MVE），属于 M 系列 CPU 中的新矢量扩展和专用矢量执行单元，使之成为该范围内首款具有单指令多数据流（SIMD）功能的产品。

新增功能使得新内核的 DSP 性能提升了 5 倍，结合针对机器学习工作负载的优化指令和 MVE，整体表现可提高至 15 倍。

整体微架构方面，新 IP 算是继承了 M33 和 ?arch 。在频率提升的加持下，它将标量工作负载的性能提升了大约 20％，具体取决于供应商的配置。

新内核的设计重点，同样体现在带宽上。其启用了需要带宽的新 MVE 和机器学习工作负载，因此对内存子系统进行了改进，比如 4×32-bit 接口与紧密耦合内存（TCM）。

尽管 ARM 进入 NPU 领域的时间相对较晚，但新推出的 Ethos-U55 microNPU，还是较嵌入式市场有着独特的意义。与移动 SoC 上更大的 Ethos-N 系列相比，它的面积和功耗要低得多。

Ethos-U55 是一种小型NPU，可从 32 路扩展到 256 MAC、且需要与 Cortex-M 系列 NPU 耦合。

ARM 未提及微体系架构的主要细节，但可知它是一种非常精简的设计，注重的是面积和能源效率、具有较小的内存占用量，其中包含我们在 N 系列产品中见到的一些特性，如 Weight Decompression 。

即便如此，它与 N 系列在功能上并没有太大区别，因为该 IP 已包含 M 系列 CPU 。据说其架构与 NPU 有所不同（与更大的兄弟无关），且是专门为低功耗用例而设计。

就面积大小而言，U55 最小的 32 MAC 实现，约为 M55 的 2 倍。这里没有绝对的数字提供，实际上讨论的是平方毫米的分数。

与上一代解决方案相比，使用 M55 和 U55 的此类系统，其性能改进意味着相当重要的步进功能提升。与基于 Cortex-M7 的系统相比，ARM 带来了包含 50 倍的性能提升、以及 25X 的能效改进。

至于新 IP 的可用领域，ARM 展望了各式各样的嵌入式系统（主要是现有的芯片子系统）。比如在移动设备上，厂商可在手机的指纹传感器、语音助理（实时监听指令）、甚至在 RF 系统中（如天线调谐）使用它来优化工作负载。

当今的移动设备中，有数百种 M 系列 CPU 可从机器学习功能中获益，且其中大多数功能对用户来说是完全透明的。

目前 ARM 已向主要合作伙伴开放 M55 和 U55 的授权，并将在未来几个月内向更广泛的客户群开放，预计最终产品可在厂商二次开发的两年后走向市场。

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