Arm добавляет поддержку кастомных инструкций для Cortex-M: расширение гибкости

Сан-Хосе, Калифорния — В знаковом заявлении на Arm TechCon CEO Arm Саймон Сигарс أعلن, что компания теперь разрешит лицензиатам встраивать кастомные инструкции в ядра Cortex-M, что знаменует значительный сдвиг от исторически жесткой архитектуры набора инструкций (ISA).

После десятилетий поддержки строго контролируемой ISA, Arm открывает свою архитектуру, позволяя пользователям создавать специализированные инструкции для ускорения нишевых рабочих нагрузок.

Пока другие IP-компании — Tensilica (теперь Cadence), ARC (теперь Synopsys) и наследие MIPS ISA — давно предлагают пользовательские инструкции, Arm сопротивлялась этому тренду для сохранения единой модели программирования.

С ростом open-source RISC-V ISA и его конфигурируемостью, Arm наконец уступила, адресуя два ключевых опасения, толкавшие клиентов к RISC-V: гибкость и стоимость.

Сначала на Cortex-M, затем на Cortex-R, Arm выпустит поддержку кастомизируемых инструкций для Cortex-M33 — первой части, получившей эту способность. Будущие ядра Cortex-M также будут поддерживать это.

Arm предоставит эту фичу без доплаты для Cortex-M33. По словам Arm Fellow Питера Гринхолга, компания планирует расширить поддержку кастомных инструкций на Cortex-R реального времени — и, возможно, в итоге добавит её к Cortex-A приложениям.

Arm Fellow Питер Гринхолг на Arm TechCon 2019 (Изображение: Kevin Krewell)

Кастомные инструкции на Cortex-R могут драматически ускорить приложения управления в реальном времени, встраивая специализированные операции для вычислительно-тяжелых или задач перемещения данных. Останется ли и когда Arm принесет эту способность к Cortex-A ядрам, используемым в смартфонах и серверах, неясно.

Инструментальная цепочка Arm теперь поддерживает эти пользовательские инструкции в ISA Armv8-M, сохраняя стандарты надежности и верификации, ожидаемые экосистемой. Новая способность также полностью совместима с Arm TrustZone, позволяя фреймворку безопасности мониторить кастомные операции.

Хотя Arm вошла в арену кастомных инструкций позже конкурентов, шаг отвечает на давний спрос клиентов. Даже одна специализированная инструкция может дать измеримый прирост производительности, сокращая такты и энергопотребление — пусть и с умеренными компромиссами по площади кристалла и времени дизайна.

Кастомные инструкции будут интерливированы со стандартными опкодами Arm. Чтобы избежать фрагментации ПО и сохранить связную среду разработки, Arm рекомендует клиентам использовать их преимущественно внутри библиотечных функций.

Пространство конфигурации Arm Custom Instructions для Armv8-M (Источник: беловая бумага Arm)

Первые целевые кейсы, нацеленные Arm, включают контроллеры хранилищ и модемы. Функция кастомных инструкций будет доступна как бесплатное обновление для Cortex-M33 в 2020 году.

Для Cortex-A ядер Arm еще несколько лет от предложения кастомных инструкций, но разрабатывает новые инструкции и расширения безопасности для грядущего ядра Matterhorn, преемника Hercules. Matterhorn ускорит матричное умножение — критичное для инференса нейросетей — с прогнозируемым 10× улучшением производительности General Matrix Multiply (GEMM).

Помимо прироста производительности, Matterhorn введет pointer authentication, branch target identification и memory tagging extensions, прокладывая путь к соответствию Platform Security Architecture (PSA) EL2.

Ранее в этом году Arm представила программу лицензирования Flexible Access, режущую предоплаты. По программе клиенты платят только $75,000 в год за один чип и $200,000 для неограниченного числа чипов, устраняя необходимость полного лицензионного соглашения до tape-out дизайна.

Эта гибкая ценовая стратегия снижает финансовый барьер для разработчиков и сигнализирует о конкурентном ответе Arm на RISC-V.

Arm также перестраивает корпоративную культуру для более глубокой коллаборации. Например, компания открыла управление open-source Mbed OS для кремниевых партнеров — включая Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs и u-blox — позволяя им влиять на будущие решения по дорожной карте.

IP Arm уже поставлено на 150 млрд чипов, и компания прогнозирует, что это число удвоится в ближайшие два года, подчеркивая ее критическую роль в глобальной полупроводниковой экосистеме.