Arm permite instruções personalizadas para núcleos Cortex-M

SAN JOSE, Califórnia - A grande notícia na Arm Techcon este ano é que a Arm está abrindo seu conjunto de instruções para instruções personalizadas dos clientes para núcleos Cortex M.

CEO da Arm, Simon Segars (Imagem:Kevin Krewell)
O CEO da Arm, Simon Segars, anunciou as mudanças em sua palestra de abertura na Arm TechCon. Após décadas de controle rígido sobre a arquitetura do conjunto de instruções (ISA) Arm, a Arm finalmente decidiu que pode permitir que seus licenciados criem suas próprias instruções personalizadas, que geralmente são úteis para acelerar cargas de trabalho especializadas.

No passado, a Arm resistiu a esse movimento, concentrando-se intensamente na manutenção de um modelo de programação consistente. Enquanto isso, uma série de outras empresas de propriedade intelectual (IP) fizeram um bom negócio com conjuntos de instruções personalizáveis. Eles incluem Tensilica (agora parte da Cadence) e ARC (agora parte da Synopsys). O venerável conjunto de instruções MIPS também oferece suporte a instruções definidas pelo usuário.

E agora, com o surgimento do RISC-V ISA de código aberto e sua configurabilidade pelo usuário, parece que a Arm finalmente cedeu e abriu seu conjunto de instruções para instruções personalizadas. Esse novo recurso personalizável e o programa de licenciamento Arm Flexible Access tratam de dois problemas principais que são vistos por muitos como fatores que levam seus clientes ao RISC-V.

Primeiro no Cortex M, depois no Cortex-R

Esta incursão inicial em instruções personalizáveis ​​será disponibilizada para os núcleos Cortex-M. O movimento é projetado principalmente para microcontroladores e núcleos controladores dentro de SoCs maiores.

A primeira parte do Cortex-M a oferecer suporte a instruções personalizáveis ​​é o Cortex-M33. Futuros núcleos Cortex-M suportarão este nível de personalização.

A outra boa notícia é que a Arm não está cobrando extra pela capacidade de personalizar novas instruções para o Cortex M33. O companheiro da Arm, Peter Greenhalgh, posteriormente na conferência, indicou que a Arm oferecerá suporte de instrução personalizável para os núcleos Cortex-R em tempo real e pode, eventualmente, oferecer esse recurso nos núcleos Cortex-A usados ​​em processadores de aplicativos.
Arm Fellow Peter Greenhalghat na Arm TechCon 2019 (Imagem:Kevin Krewell)


Adicionar instruções personalizadas ao Cortex-R pode ser muito útil para aplicativos de controle em tempo real. Eles podem usar instruções especializadas para acelerar cálculos especializados ou movimentação de dados. Quando e como a Arm adicionará suporte de instrução personalizada aos núcleos Cortex-A, implantados em aplicativos convencionais, como smartphones e servidores, é muito mais complicado e a empresa não se comprometeu oficialmente a fazê-lo.

Mantendo confiabilidade e segurança

A Arm projetou seu conjunto de ferramentas para oferecer suporte a essas novas instruções do usuário no conjunto de instruções Armv8-M e ainda manter a confiabilidade e verificação que os usuários sempre esperaram da Arm. Para manter a segurança central, a empresa tornou o novo recurso compatível com o Arm TrustZone, onde as instruções personalizadas serão monitoradas.

Embora a Arm esteja atrasada para a festa de instruções personalizadas, a empresa está respondendo aos clientes que vêm pedindo essa capacidade há algum tempo. Existem casos em que até mesmo uma instrução especializada pode oferecer ganhos significativos em desempenho e eficiência, com menos ciclos de clock e uma redução na energia total. As novas instruções usam os mesmos registradores, mas requerem lógica adicional, o que requer um investimento em área de matriz adicional e tempo de design.

As novas instruções são intercaladas com as instruções Arm padrão. Para evitar a fragmentação de software e manter um ambiente de desenvolvimento de software coerente, Arm espera que os clientes usem as instruções personalizadas principalmente em funções de biblioteca chamadas.
Instruções personalizadas do Arm para o espaço de configuração do Armv8-M (fonte:white paper da Arm)


Os aplicativos iniciais que a Arm espera ver os clientes usando instruções personalizadas no Cortex-M33 são controladores de armazenamento e modems. A nova capacidade estará disponível para o Cortex-M33 em 2020 como uma atualização gratuita.

Para núcleos Cortex-A, a Arm ainda está muito longe de oferecer instruções personalizáveis, mas está preparando novas instruções e extensões de segurança para o futuro. A empresa revelou o codinome para a próxima geração de núcleos Cortex-A depois de Hercules:é chamado Matterhorn. Esse núcleo do processador adicionará novas instruções para acelerar as multiplicações de matrizes, comumente usadas em redes neurais de aprendizado de máquina.

Arm espera que o novo núcleo Matterhorn ofereça uma melhoria de 10x nos cálculos General Matrix Multiply (GEMM) para redes neurais. A Arm também adicionará novas medidas de segurança em todo o núcleo da CPU e caches. Essas extensões de segurança serão capazes de controlar a autorização de ponteiros e oferecer identificadores de destino de ramificação e extensões de marcação de memória. A Arm planeja oferecer outra compatibilidade de arquitetura de segurança de plataforma (PSA) EL2 com esses novos recursos.

Taxa de licenciamento reduzida

No início de julho, a empresa anunciou um novo plano de licenciamento que fornece aos clientes acesso a alguns de seus IPs mais populares a um preço reduzido. Os clientes podem fazer isso sem a necessidade de assinar um contrato de licença até que um chip seja removido com fita adesiva. No programa Arm Flexible Access, os clientes pagam apenas $ 75.000 por ano por um único chip e $ 200.000 por um número ilimitado de chips. Este programa reduz a barreira financeira para começar a usar núcleos Arm.

Essas mudanças são vistas como a resposta competitiva da Arm ao RISC-V. Mas a Arm está dando um passo adiante para fazer uma mudança fundamental em sua própria cultura corporativa.

A Arm passou por uma mudança cultural e adotou um modelo mais colaborativo com seu ecossistema. Como outro exemplo dessas mudanças, a empresa abriu a governança do Mbed OS de código aberto para seus parceiros de silício. Isso permitirá que esses parceiros influenciem mais diretamente os desenvolvimentos futuros do Mbed. Atualmente, Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs e u-blox, são participantes ativos.

A Arm está respondendo às demandas do mercado e dos clientes de uma forma nunca antes feita. Ainda existem ameaças existenciais para a empresa, como o RISC-V. Mas o IP da empresa já vendeu 150 bilhões de chips até o momento e espera dobrar esse número em dois anos. A Arm é um fornecedor de IP essencial para a grande maioria dos dispositivos enviados todos os anos e está fazendo mudanças cruciais para acompanhar as mudanças do mercado e das demandas dos clientes.