Arm maakt aangepaste instructies voor Cortex-M-kernen mogelijk

SAN JOSE, Californië - Het grote nieuws op Arm Techcon dit jaar is dat Arm zijn instructieset openstelt voor aangepaste instructies van klanten voor Cortex M-kernen.

Arm CEO Simon Segars kondigde de veranderingen aan in zijn openingstoespraak op Arm TechCon. Na decennia van strikte controle over de Arm-instructiesetarchitectuur (ISA), heeft Arm eindelijk besloten dat het zijn licentiehouders kan toestaan ​​om hun eigen aangepaste instructies te bouwen, die vaak handig zijn om gespecialiseerde werklasten te versnellen.

In het verleden verzette Arm zich tegen deze beweging en concentreerde hij zich nadrukkelijk op het onderhoud van een consistent programmeermodel. Ondertussen hebben tal van andere bedrijven op het gebied van intellectueel eigendom (IP) een goede zaak gemaakt met aanpasbare instructiesets. Ze omvatten Tensilica (nu onderdeel van Cadence) en ARC (nu onderdeel van Synopsys). De eerbiedwaardige MIPS-instructieset ondersteunde ook door de gebruiker gedefinieerde instructies.

En nu, met de opkomst van de open-source RISC-V ISA en de configureerbaarheid door de gebruiker, lijkt het erop dat Arm eindelijk heeft toegegeven en zijn instructieset heeft geopend voor aangepaste instructies. Deze nieuwe aanpasbare mogelijkheid en het Arm Flexible Access-licentieprogramma pakken twee hoofdproblemen aan die door velen worden gezien als factoren die klanten naar RISC-V drijven.

Eerst op Cortex M, dan Cortex-R

Dit eerste uitstapje naar aanpasbare instructies zal beschikbaar worden gemaakt voor de Cortex-M-kernen. De verhuizing is voornamelijk ontworpen voor microcontrollers en controllercores in grotere SoC's.

Het eerste Cortex-M-onderdeel dat aanpasbare instructies ondersteunt, is de Cortex-M33. Toekomstige Cortex-M-kernen zullen dit aanpassingsniveau ondersteunen.

Het andere goede nieuws is dat Arm geen extra kosten in rekening brengt voor de mogelijkheid om nieuwe instructies voor de Cortex M33 aan te passen. Arm Fellow Peter Greenhalgh gaf later op de conferentie aan dat Arm aanpasbare instructieondersteuning zal bieden voor de realtime Cortex-R-kernen en deze functie uiteindelijk kan aanbieden op de Cortex-A-kernen die worden gebruikt in applicatieprocessors.

Het toevoegen van aangepaste instructies aan Cortex-R kan erg handig zijn voor realtime controletoepassingen. Ze kunnen gespecialiseerde instructies gebruiken om gespecialiseerde berekeningen of gegevensverplaatsing te versnellen. Wanneer en hoe Arm aangepaste instructie-ondersteuning zal toevoegen aan de Cortex-A-kernen, geïmplementeerd in reguliere applicaties zoals smartphones en servers, is veel gecompliceerder en het bedrijf heeft zich officieel niet verplicht dit te doen.

Betrouwbaarheid en veiligheid handhaven

Arm heeft zijn toolchain ontworpen om deze nieuwe gebruikersinstructies in de Armv8-M-instructieset te ondersteunen en toch de betrouwbaarheid en verificatie te behouden die gebruikers altijd van Arm hebben verwacht. Om de kernbeveiliging te behouden, heeft het bedrijf de nieuwe mogelijkheid compatibel gemaakt met Arm TrustZone, waar de aangepaste instructies worden gecontroleerd.

Terwijl Arm te laat is voor het feest met aangepaste instructies, reageert het bedrijf op klanten die al enige tijd om deze mogelijkheid vragen. Er zijn gevallen waarin zelfs één gespecialiseerde instructie een aanzienlijke prestatie- en efficiëntiewinst kan opleveren, met minder klokcycli en een vermindering van de totale energie. De nieuwe instructies gebruiken dezelfde registers, maar vereisen extra logica, wat een investering in extra matrijsgebied en ontwerptijd vereist.

De nieuwe instructies zijn afgewisseld met standaard Arm-instructies. Om softwarefragmentatie te voorkomen en een coherente softwareontwikkelingsomgeving te behouden, verwacht Arm dat klanten de aangepaste instructies meestal gebruiken in bibliotheekfuncties.

De eerste toepassingen die Arm verwacht dat klanten aangepaste instructies op de Cortex-M33 gebruiken, zijn opslagcontrollers en modems. De nieuwe mogelijkheid komt in 2020 beschikbaar voor de Cortex-M33 als gratis upgrade.

Voor Cortex-A-kernen biedt Arm nog lang geen aanpasbare instructies, maar het bereidt nieuwe instructies en beveiligingsuitbreidingen voor de toekomst voor. Het bedrijf onthulde de codenaam voor de volgende generatie Cortex-A-kernen na Hercules:het heet Matterhorn. Die processorkern zal nieuwe instructies toevoegen om matrixvermenigvuldigingen te versnellen, die vaak worden gebruikt in neurale netwerken voor machine learning.

Arm verwacht dat de nieuwe Matterhorn-kern een 10x verbetering zal bieden ten opzichte van General Matrix Multiply (GEMM)-berekeningen voor neurale netwerken. Arm zal ook nieuwe beveiligingsmaatregelen toevoegen aan de CPU-kern en caches. Deze beveiligingsuitbreidingen kunnen de autorisatie van de aanwijzer beheren en bieden vertakkingsdoel-ID's en geheugentagging-uitbreidingen. Arm is van plan om nog een Platform Security Architecture (PSA) EL2-compliance aan te bieden met deze nieuwe mogelijkheden.

Verlaagde licentiekosten

Eerder in juli kondigde het bedrijf een nieuw licentieplan aan dat klanten tegen een gereduceerde prijs toegang geeft tot een aantal van de meest populaire IP-adressen. Klanten kunnen dit doen zonder een licentieovereenkomst te hoeven ondertekenen totdat een chip is afgeplakt. Under Arm Flexible Access-programma betalen klanten slechts $ 75.000 per jaar voor een enkele chip en $ 200.000 voor een onbeperkt aantal chips. Dit programma verlaagt de financiële drempel om aan de slag te gaan met Arm cores.

Deze veranderingen worden gezien als Arms competitieve reactie op RISC-V. Maar Arm gaat nog een stap verder om een ​​fundamentele verandering door te voeren in zijn eigen bedrijfscultuur.

Arm heeft een culturele verschuiving ondergaan en omarmt een meer samenwerkingsmodel met zijn ecosysteem. Een ander voorbeeld van die veranderingen is dat het bedrijf de governance van het open-source Mbed-besturingssysteem openstelde voor zijn siliciumpartners. Hierdoor kunnen deze partners directer invloed uitoefenen op toekomstige ontwikkelingen van Mbed. Momenteel zijn Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs en u-blox actieve deelnemers.

Arm reageert op de vraag van de markt en de klant op een manier die het nog nooit eerder heeft gedaan. Er zijn nog steeds existentiële bedreigingen voor het bedrijf, zoals RISC-V. Maar het IP-adres van het bedrijf heeft tot nu toe 150 miljard chips verzonden en verwacht dat aantal in twee jaar te verdubbelen. Arm is een kritieke IP-leverancier voor de overgrote meerderheid van de apparaten die elk jaar worden verzonden en voert cruciale veranderingen door om gelijke tred te houden met de veranderende markt- en klanteisen.