Arm позволяет настраивать инструкции для ядер Cortex-M

САН-ХОСИ, Калифорния. Важной новостью Arm Techcon в этом году является то, что Arm открывает свой набор инструкций для индивидуальных инструкций клиентов для ядер Cortex M.

Генеральный директор Arm Саймон Сегарс (Изображение:Кевин Крюэлл)

Генеральный директор Arm Саймон Сегарс объявил об изменениях в своей вступительной речи на Arm TechCon. После десятилетий жесткого контроля над архитектурой набора инструкций Arm (ISA), Arm наконец решила, что может позволить своим лицензиатам создавать свои собственные пользовательские инструкции, которые часто полезны для ускорения специализированных рабочих нагрузок.

В прошлом Arm сопротивлялась этому шагу, сосредоточивая внимание на поддержании согласованной модели программирования. Между тем, множество других компаний, занимающихся интеллектуальной собственностью (ИС), сделали хороший бизнес на настраиваемых наборах инструкций. В их число входят Tensilica (теперь часть Cadence) и ARC (теперь часть Synopsys). Известный набор инструкций MIPS также поддерживал пользовательские инструкции.

И теперь, с появлением RISC-V ISA с открытым исходным кодом и его настраиваемости пользователем, кажется, что Arm наконец уступил и открыл свой набор инструкций для индивидуальных инструкций. Эта новая настраиваемая возможность и программа лицензирования Arm Flexible Access решают две основные проблемы, которые многие считают факторами, побуждающими их клиентов переходить на RISC-V.

Сначала на Cortex M, затем на Cortex-R

Этот первоначальный набег на настраиваемые инструкции будет доступен для ядер Cortex-M. Этот шаг предназначен в основном для микроконтроллеров и ядер контроллеров внутри более крупных SoC.

Первой частью Cortex-M, поддерживающей настраиваемые инструкции, является Cortex-M33. Будущие ядра Cortex-M будут поддерживать этот уровень настройки.

Другая хорошая новость заключается в том, что Arm не взимает дополнительную плату за возможность настраивать новые инструкции для Cortex M33. Сотрудник Arm Питер Гринхал позже на конференции указал, что Arm предложит настраиваемую поддержку инструкций для ядер Cortex-R в реальном времени и может в конечном итоге предложить эту функцию для ядер Cortex-A, используемых в процессорах приложений.

Сотрудник службы поддержки Питер Гринхалгхат на Arm TechCon 2019 (Изображение:Кевин Крюэлл)

Добавление пользовательских инструкций в Cortex-R может быть очень полезным для приложений управления в реальном времени. Они могут использовать специальные инструкции для ускорения специализированных вычислений или перемещения данных. Когда и как Arm добавит поддержку пользовательских инструкций в ядра Cortex-A, развернутые в основных приложениях, таких как смартфоны и серверы, гораздо сложнее, и компания официально не обязывалась делать это.

Обеспечение надежности и безопасности

Arm разработал свою инструментальную цепочку для поддержки этих новых пользовательских инструкций в наборе инструкций Armv8-M и по-прежнему поддерживает надежность и проверку, которые пользователи всегда ожидали от Arm. Чтобы поддерживать базовую безопасность, компания сделала новую возможность совместимой с Arm TrustZone, где пользовательские инструкции будут отслеживаться.

В то время как Arm опаздывает на вечеринку с пользовательскими инструкциями, компания отвечает клиентам, которые просили об этой возможности в течение некоторого времени. Бывают случаи, когда даже одна специализированная инструкция может предложить значительный выигрыш в производительности и эффективности с меньшим количеством тактовых циклов и снижением общей энергии. Новые инструкции используют те же регистры, но требуют дополнительной логики, что требует вложений в дополнительную площадь кристалла и время разработки.

Новые инструкции чередуются со стандартными инструкциями Arm. Чтобы избежать фрагментации программного обеспечения и поддерживать согласованную среду разработки программного обеспечения, Arm ожидает, что клиенты будут использовать пользовательские инструкции в основном в вызываемых библиотечных функциях.

Пользовательские инструкции Arm для конфигурационного пространства Armv8-M (Источник:официальный документ Arm)

Первыми приложениями, которые Arm ожидает увидеть у клиентов, использующих пользовательские инструкции на Cortex-M33, являются контроллеры хранилищ и модемы. Новая возможность станет доступна для Cortex-M33 в 2020 году в виде бесплатного обновления.

Для ядер Cortex-A Arm еще далек от предложения каких-либо настраиваемых инструкций, но готовит новые инструкции и расширения безопасности на будущее. Компания представила кодовое название следующего поколения ядер Cortex-A после Hercules:оно называется Matterhorn. Это ядро ​​процессора будет добавлять новые инструкции для ускорения умножения матриц, которые обычно используются в нейронных сетях машинного обучения.

Arm ожидает, что новое ядро ​​Matterhorn предложит 10-кратное улучшение вычислений General Matrix Multiply (GEMM) для нейронных сетей. Arm также добавит новые меры безопасности для ядра ЦП и кешей. Эти расширения безопасности смогут управлять авторизацией указателя и предлагать целевые идентификаторы ветвлений и расширения для маркировки памяти. Arm планирует предложить другую архитектуру безопасности платформы (PSA) EL2, совместимую с этими новыми возможностями.

Сниженная лицензионная плата

Ранее в июле компания объявила о новом лицензионном плане, который предоставляет клиентам доступ к некоторым из ее самых популярных IP-адресов по сниженной цене. Клиенты могут делать это без необходимости подписывать лицензионное соглашение до тех пор, пока чип не будет отключен. В рамках программы Arm Flexible Access клиенты платят всего 75 000 долларов в год за один чип и 200 000 долларов за неограниченное количество чипов. Эта программа снижает финансовый барьер для начала использования ядер Arm.

Эти изменения рассматриваются как конкурентный ответ Arm на RISC-V. Но Arm делает еще один шаг вперед, чтобы кардинально изменить свою корпоративную культуру.

В Arm произошел культурный сдвиг, и теперь в его экосистеме появилась модель более тесного сотрудничества. В качестве еще одного примера этих изменений компания открыла управление ОС Mbed с открытым исходным кодом своим партнерам по полупроводникам. Это позволит этим партнерам более напрямую влиять на будущее развитие Mbed. В настоящее время активными участниками являются Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs и u-blox.

Arm реагирует на запросы рынка и клиентов так, как никогда раньше. Для компании по-прежнему существуют угрозы существованию, такие как RISC-V. Но на сегодняшний день компания продала 150 миллиардов чипов, и через два года ожидается, что это число удвоится. Arm является важным поставщиком IP для подавляющего большинства устройств, поставляемых каждый год, и вносит важные изменения, чтобы идти в ногу с меняющимися потребностями рынка и клиентов.