Mit Helium-Technologie Cortex-M52: Arm bringt KI auf kleinste Endgeräte

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Der neue Cortex-M52 ist laut Arm der kleinste, flächensparendste und kosteneffizienteste Prozessor mit der hauseigenen Helium-Technologie. Auch ohne DSP- und NPU-Blöcke soll er ausreichend Rechenleistung für typische Edge-KI-Anwendungen bereitstellen. Eine durchgehende Toolchain soll Entwicklungsabläufe vereinfachen.

Generative Künstliche Intelligenz (KI) und Large Language Models (LLMs) wie ChatGPT sorgen seit einiger Zeit für Schlagzeilen. Etwas abseits dieses Hypes wird KI bereits großflächig eingesetzt: Eingebettet in elektronische Geräte, die etwa in Häusern, Industrien und Stadtinfrastrukturen zum Einsatz kommen und helfen, diese „intelligenter“ zu machen. Die passenden Schlagworte dafür sind Smart Home, Smart Industry und Smart City. Dafür hat sich mittlerweile der Begriff Künstliche Intelligenz der Dinge (Artificial Internet of Things, AIoT) etabliert.

Während das Entwickeln und Trainieren von KI-Modellen enorme Rechenleistung erfordern, versucht man mehr und mehr Daten dort zu verarbeiten, wo sie generiert werden – wo also Sensoren physikalische Messwerte in die digitale Domäne überführen. Das (Vor-)Verarbeiten dieser Daten mithilfe vorab trainierter Neuronaler Netze, die sogenannte Inferenz, läuft meist auf ressourcenbeschränkter Hardware, die häufig mit Batterien als Stromversorgung auskommen muss. Hinzu kommt: Die Produkte sollen so wenig kosten wie möglich.

Viele der in diesen elektronischen Edge-KI-Geräten verbauten Mikrocontroller basieren auf den Prozessorarchitekturen des ursprünglich britischen Entwicklers Arm. Der hat nun sein breites IP-Portfolio um ein interessantes Produkt erweitert: Cortex-M52. Nach eigenen Angaben hat Arm diesen Kern für AIoT-Produkte entwickelt, die für Inferenzanwendungen viel Rechenleistung für digitale Signalverarbeitung (DSP) und Maschinelles Lernen (ML) erfordern, aber ohne dedizierte DSP- und ML-Beschleuniger (Neural Processing Unit, NPU) auskommen sollen. Denn ohne diese IP-Blöcke lassen sich einerseits die Kosten drücken, andererseits möglicherweise die Energieeffizienz verbessern.

KI-Funktionen für ein breiteres Spektrum von IoT-Geräten verfügbar machen

Der Cortex-M52 nutzt die Helium-Technologie von Arm. Helium ist eine Erweiterung für Vektorberechnungen in der aktuellen Armv8.1-M-Architektur, konkret die M-Profile Vector Extension (MVE) für die Arm Cortex-M-Prozessorserie. Arm hat sie erstmals in die Cortex-M55- und Cortex-M85-Prozessoren integriert. Nach eigenen Angaben soll sie DSP- und ML-Anwendungen erheblich beschleunigen. Gegenüber M33- und M4-Kernen soll der M52 eine bis zu 2,7-mal schnellere DSP- und bis zu 5,6-mal bessere ML-Performance erreichen. Dafür habe man unter anderem die Speicherschnittstelle für einen schnelleren Zugriff auf Daten und Gewichtungen optimiert, sagt Paul Williamson, Senior Vice President and General Manager, IoT Line of Business von Arm.

„Die Helium-Technologie wurde bereits erfolgreich in Produkten am äußersten Rand des Netzwerks implementiert“, erklärt Williamson, „doch der Cortex-M52-Kern ermöglicht es Arm-Partnern nun, diese Fähigkeit in kostengünstige Geräte mit geringerem Stromverbrauch zu übertragen.“ Williamson denkt dabei zum Beispiel an Audiogeräte, Sensor-Hubs, Keyword-Spotting und Sprachsteuerung, Leistungselektronik, Kommunikation und Standbildverarbeitung.

Der Arm-Manager sieht im Cortex-M52-Prozessor einen vereinfachten Migrationspfad vom Cortex-M3/M4/M33. Der neue Kern adressiere eine breite Palette von AIoT-Anwendungen, um reichhaltigere UI-, Sprach- und Vision-Erfahrungen zu ermöglichen, Einsatzmöglichkeiten sieht er etwa in der Automobil- und Industriesteuerung, vorausschauenden Wartung und Wearable Sensor Fusion. „Der Cortex-M52 bietet die nötige Flexibilität, um über eine Reihe von Leistungspunkten und Konfigurationen hinweg zu skalieren“, sagt Williamson. Da auf dedizierte DSP- und NPU-Blöcke verzichtet werden könnte, ließe sich auch Siliziumfläche einsparen. So sei der M52-Kern rund 23 Prozent kleiner als ein M55-Kern.

Robuste Sicherheit

Arm hat in den Cortex-M52 nach eigenen Angaben die neuesten Sicherheitserweiterungen für Armv8.1-M implementiert, einschließlich PACBTI und Arm TrustZone. „Darüber hinaus wird der Cortex-M52 den Weg zu PSA-zertifiziertem Level-2-Silizium beschleunigen und die nächste Generation PSA-zertifizierter Geräte ermöglichen“, ist Williamson überzeugt.

Die neuesten Armv8.1-M-Cores einschließlich Cortex-M55 und Cortex-M85 bieten demnach auch erweiterte funktionale Sicherheitsfunktionen, die in vielen Automobil- und industriellen Steuerungsanwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Der Cortex-M52 enthält laut Arm ebenfalls diese erweiterten Sicherheitspakete und -funktionen, „mit denen Partner die FuSa-Zertifizierung schneller und einfacher erreichen können als mit Cortex-Ms der vorherigen Generation, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden“, sagt Williamson.

Vereinfachte KI-Entwicklung für die kleinsten Endgeräte

Embedded-Entwickler verfügen häufig nicht über die für KI erforderlichen Kenntnissen in den Bereichen Mathematik, Datenanalyse, Toolchain und Programmierung. Beim Einsatz des Cortex-M52 und des Arm-Ökosystems an Tools würde das Umsetzen von KI-Projekten deutlich vereinfachen: „Wir liefern die entscheidenden Funktionen und Fähigkeiten, die in einem modernen Entwicklungsablauf heute erforderlich sind“, sagt Williamson.

Bislang mussten Entwickler Code für CPU, DSP und NPU schreiben, debuggen und abstimmen – mit drei separaten Tool-Chains, drei Compilern, drei Debuggern. „Mit dem Arm Cortex-M-Portfolio bringen wir nun KI auf einer einzigen Toolchain und einer einzigen bewährten Architektur zusammen“, freut sich der Arm-Manager. Dies gewährleiste einen einheitlichen Entwicklungsfluss für herkömmliche, DSP- und ML-Workloads. Die Integration und Optimierung für führende Machine-Learning-Frameworks würde zudem sicherstellen, dass Entwickler eine nahtlose Erfahrung machen und die beste Leistung aus jedem Cortex-M herausholen könnten.

Softwarekompatibel mit dem Cortex-M55 und dem Cortex-M85

Der Cortex-M52 ist laut Arm vollständig softwarekompatibel mit dem Cortex-M55 und dem Cortex-M85, so dass Entwickler von dem wachsenden Software- und Tool-Ökosystem rund um Helium sowie von den kostenlosen Software-Bibliotheken und der umfangreichen Wissensbasis von Arms Partner-Ökosystems profitieren können. „Um den IoT- und Embedded-Entwicklungsprozess zu rationalisieren und zu beschleunigen, wird der Cortex-M52 auch auf Arm Virtual Hardware verfügbar sein, unserem Cloud-basierten Angebot, das die Softwareentwicklung vor der Siliziumentwicklung ermöglicht“, erklärt Williamson.

Nach Angaben des Herstellers sind IP, Software-Bibliotheken, Toolchains und Modelle für den Cortex-M52 ab sofort verfügbar. Das erste Silizium wird für 2024 erwartet. (me)

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