Tymbal：単一チップ上のニューラルシンセサイザー

Tymbalは、単一のNUCLEO-N657X0-Qボード（STM32N657: 800 MHzのCortex-M55 + Neural-ART NPU）上で動作するポリフォニック・リアルタイム・シンセサイザーで、MIDIキーボードで制御され、I2S-DAC出力を備えています。オーディオは4ミリ秒のブロックで計算されます。800 MHzでは、ホップあたり320万サイクルがすべての処理（ボイス、ハーモニック合成、ニューラルネットワーク、フィルターバンク、デチューン、リミッター）に割り当てられ、アンダーラン（処理落ち）はゼロです。アーキテクチャは、コスト削減とネットワークへのコンパクトな入力を提供するために、PQMF（擬似直交ミラーフィルタ）4サブバンド領域（各12 kHz）を使用しています。ハーモニックスケルトンは、複素フィルタ応答を使用してサブバンドに直接レンダリングされ、アンチチップチューン層（オートユニゾン、スペクトラルブルーム、マイクロドリフト）が適用されます。12層、ダイレーション1～32、C=88チャンネルの因果的TCN（時間畳み込みネットワーク）がNPU上で残差リファイナーとして動作し、PTQ（学習後量子化）によりint8に量子化されています。重要な発見は、残差予測で単純に学習させたネットワークが、520係数の線形FIR（有限インパルス応答）に劣るということでした。その修正として、線形部分を「ゼロ層」として凍結し（pred = FIR(x) + net(x)）、ネットワークは非線形残差のみを学習するようにしました。最終評価では、FIR単独で+11.25 dBの抑圧、FIR+ネットワーク（fp32）で+17.16 dB、int8で+16.89 dBとなり、ネットワークは+5.64 dBの寄与を示しました。立ち上げ時の詳細な知見には、リセット後のECCランダムコンテンツ、無効化されたAXISRAMバンク、NORフラッシュパスの問題、NPUクロック分周器の誤り（800 MHzではなく400 MHz）、および誤ったアサートが含まれます。予算最適化は、ホップあたり418万サイクルから開始し、最終的に最悪ケースのコードで247万サイクルを達成し、アンダーランはゼロでした。技術には、測定ループ（QEMUとボードサイクルの比較）、NPUエポックプロファイリング、ポンピング（NPU呼び出しをレンダリングとインターリーブする非ブロッキング方式）、ホットテーブルのDTCMへの移動、状態リング用のMVEベースのメモリコピーが含まれます。