Arm introduceert custom-instructieondersteuning voor Cortex‑M-kernen, vergroot flexibiliteit

SAN JOSE, Calif. — In een mijlpaal-aankondiging op Arm TechCon onthulde Arm-CEO Simon Segars dat het bedrijf licentiehouders nu toestaat custom-instructies in te sluiten in zijn Cortex‑M-kernen, wat een significante afwijking markeert van de historisch rigide instructiesetarchitectuur (ISA).

Na decennialang een strak gecontroleerde ISA te handhaven, opent Arm zijn architectuur om gebruikers toe te staan gespecialiseerde instructies te creëren die niche-workloads versnellen.

Terwijl andere intellectual-property-firma's – zoals Tensilica (nu onderdeel van Cadence), ARC (nu onderdeel van Synopsys) en de legacy MIPS ISA – al lang user-defined instructies aanboden, had Arm deze trend geweerd om een consistent programmeermodel te behouden.

Met de opkomst van de open-source RISC‑V ISA en haar configureerbaarheid, heeft Arm uiteindelijk ingestemd, twee kernbezorgdheden aanpakkende die klanten naar RISC‑V deden: flexibiliteit en kosten.

Eerst op Cortex‑M, dan op Cortex‑R, zal Arm customizable-instructieondersteuning vrijgeven voor de Cortex‑M33, het eerste deel dat deze capaciteit ontvangt. Toekomstige Cortex‑M-kernen zullen het ook ondersteunen.

Arm zal deze functie zonder extra kosten bieden voor de Cortex‑M33. Volgens Arm Fellow Peter Greenhalgh plannet het bedrijf custom-instructieondersteuning uit te breiden naar Cortex‑R real-time-kernen – en mogelijk uiteindelijk toe te voegen aan Cortex‑A-applicatieprocessoren.

Arm Fellow Peter Greenhalgh op Arm TechCon 2019 (Afbeelding: Kevin Krewell)

Custom-instructies op Cortex‑R kunnen real-time-control-applicaties dramatisch versnellen door gespecialiseerde operaties in te sluiten voor compute-zware of data-verplaatsingstaken. Of en wanneer Arm deze capaciteit naar Cortex‑A-kernen brengt, gebruikt in smartphones en servers, blijft onzeker.

Arm's toolchain ondersteunt nu deze gebruiker-instructies in de Armv8‑M ISA terwijl de betrouwbaarheids- en verificatie-standaarden die het ecosysteem verwacht, behouden blijven. De nieuwe capaciteit is ook volledig compatibel met Arm TrustZone, waardoor het beveiligingsframework custom-operaties kan monitoren.

Hoewel Arm later dan zijn peers de custom-instructie-arena betrad, reageert de stap op langdurige klantenvraag. Zelfs een enkele gespecialiseerde instructie kan meetbare prestatiewinst leveren, klokcycli en energieverbruik reduceren – al met bescheiden die-area en ontwerptijd-afwegingen.

Custom-instructies zullen geïnterleaved worden met standaard Arm-opcodes. Om software-fragmentatie te vermijden en een coherente ontwikkelomgeving te behouden, adviseert Arm klanten ze voornamelijk binnen library-functies te gebruiken.

Arm Custom Instructions voor Armv8‑M-configuratieruimte (Bron: Arm's white paper)

Initiële use cases die Arm target, omvatten storage-controllers en modems. De custom-instructie-functie zal beschikbaar komen als gratis upgrade voor de Cortex‑M33 in 2020.

Voor Cortex‑A-kernen is Arm nog enkele jaren verwijderd van custom-instructies, maar ontwikkelt nieuwe instructies en beveiligingsuitbreidingen voor de komende Matterhorn-kern, de opvolger van Hercules. Matterhorn is gericht op het versnellen van matrixvermenigvuldiging – cruciaal voor neurale-netwerk-inferentie – met een verwachte 10x verbetering in General Matrix Multiply (GEMM)-prestaties.

Naast prestatiewinst introduceert Matterhorn pointer-authorization, branch-target-identifiers en memory-tagging-uitbreidingen, wat de weg baant voor Platform Security Architecture (PSA) EL2-naleving.

Eerder dit jaar lanceerde Arm zijn Flexible Access-licentieprogramma, dat upfront-kosten drastisch verlaagt. Onder het programma betalen klanten slechts $75.000 per jaar voor een enkele chip en $200.000 voor onbeperkte chips, wat de noodzaak voor een volledige licentieovereenkomst tot het tapen-out van het ontwerp elimineert.

Deze flexibele prijsstrategie verlaagt de financiële drempel voor ontwikkelaars en signaleert Arm's competitieve reactie op RISC‑V.

Arm herschapt ook zijn bedrijfscultuur om diepere samenwerking te bevorderen. Bijvoorbeeld, het bedrijf heeft de governance van de open-source Mbed OS geopend voor siliciumpartners – inclusief Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs en u‑blox – waardoor ze toekomstige roadmap-beslissingen kunnen beïnvloeden.

Arm's IP is al geproduceerd op 150 miljard chips en het bedrijf projecteert dat dit aantal in de komende twee jaar zal verdubbelen, wat zijn cruciale rol in het wereldwijde halfgeleider-ecosysteem onderstreept.