Arm habilita instrucciones personalizadas para núcleos Cortex-M

SAN JOSE, Calif. - La gran noticia en Arm Techcon este año es que Arm está abriendo su conjunto de instrucciones a las instrucciones personalizadas de los clientes para los núcleos Cortex M.

Director ejecutivo de Arm, Simon Segars (Imagen:Kevin Krewell)

El CEO de Arm, Simon Segars, anunció los cambios en su discurso de apertura en Arm TechCon. Después de décadas de control estricto sobre la arquitectura del conjunto de instrucciones de Arm (ISA), Arm finalmente decidió que puede permitir que sus licenciatarios creen sus propias instrucciones personalizadas, que a menudo son útiles para acelerar cargas de trabajo especializadas.

En el pasado, Arm se resistió a este movimiento, enfocándose intensamente en el mantenimiento de un modelo de programación consistente. Mientras tanto, una serie de otras empresas de propiedad intelectual (PI) hicieron un buen negocio con conjuntos de instrucciones personalizables. Incluyen Tensilica (ahora parte de Cadence) y ARC (ahora parte de Synopsys). El venerable conjunto de instrucciones MIPS también admitía instrucciones definidas por el usuario.

Y ahora, con el auge del RISC-V ISA de código abierto y su capacidad de configuración de usuario, parece que Arm finalmente cedió y abrió su conjunto de instrucciones para instrucciones personalizadas. Esta nueva capacidad personalizable y el programa de licencias Arm Flexible Access abordan dos problemas principales que muchos consideran factores que impulsan a sus clientes a utilizar RISC-V.

Primero en Cortex M, luego Cortex-R

Esta incursión inicial en instrucciones personalizables estará disponible para los núcleos Cortex-M. El movimiento está diseñado principalmente para microcontroladores y núcleos de controlador dentro de SoC más grandes.

La primera pieza de Cortex-M que admite instrucciones personalizables es Cortex-M33. Los núcleos futuros de Cortex-M admitirán este nivel de personalización.

La otra buena noticia es que Arm no está cobrando más por la capacidad de personalizar nuevas instrucciones para el Cortex M33. El miembro de Arm, Peter Greenhalgh, indicó más adelante en la conferencia que Arm ofrecerá soporte de instrucción personalizable para los núcleos Cortex-R en tiempo real y, eventualmente, puede ofrecer esta función en los núcleos Cortex-A utilizados en los procesadores de aplicaciones.

Arm Fellow Peter Greenhalghat en Arm TechCon 2019 (Imagen:Kevin Krewell)

Agregar instrucciones personalizadas a Cortex-R puede ser muy útil para aplicaciones de control en tiempo real. Pueden usar instrucciones especializadas para acelerar los cálculos especializados o el movimiento de datos. Cuándo y cómo Arm agregará soporte de instrucción personalizada a los núcleos Cortex-A, implementado en aplicaciones convencionales como teléfonos inteligentes y servidores, es mucho más complicado y la compañía no se comprometió oficialmente a hacerlo.

Mantener la confiabilidad y la seguridad

Arm ha diseñado su cadena de herramientas para admitir estas nuevas instrucciones de usuario en el conjunto de instrucciones Armv8-M y aún así mantener la confiabilidad y verificación que los usuarios siempre han esperado de Arm. Para mantener la seguridad central, la compañía ha hecho que la nueva capacidad sea compatible con Arm TrustZone, donde se monitorearán las instrucciones personalizadas.

Si bien Arm llega tarde a la fiesta de instrucciones personalizadas, la compañía está respondiendo a los clientes que han estado solicitando esta capacidad durante algún tiempo. Hay casos en los que incluso una instrucción especializada puede ofrecer ganancias significativas en rendimiento y eficiencia, con menos ciclos de reloj y una reducción en la energía total. Las nuevas instrucciones usan los mismos registros, pero requieren lógica adicional, lo que requiere una inversión en área de matriz adicional y tiempo de diseño.

Las nuevas instrucciones están intercaladas con las instrucciones de armado estándar. Para evitar la fragmentación del software y mantener un entorno de desarrollo de software coherente, Arm espera que los clientes usen las instrucciones personalizadas principalmente en funciones de biblioteca llamadas.

Instrucciones personalizadas de Arm para el espacio de configuración de Armv8-M (Fuente:informe técnico de Arm)

Las aplicaciones iniciales que Arm espera que los clientes usen instrucciones personalizadas en el Cortex-M33 son controladores de almacenamiento y módems. La nueva capacidad estará disponible para el Cortex-M33 en 2020 como una actualización gratuita.

Para los núcleos Cortex-A, Arm todavía está muy lejos de ofrecer instrucciones personalizables, pero está preparando nuevas instrucciones y extensiones de seguridad para el futuro. La compañía dio a conocer el nombre en clave para la próxima generación de núcleos Cortex-A después de Hércules:se llama Matterhorn. Ese núcleo de procesador agregará nuevas instrucciones para acelerar las multiplicaciones de matrices, que se usan comúnmente en las redes neuronales de aprendizaje automático.

Arm espera que el nuevo núcleo de Matterhorn ofrezca una mejora 10 veces mayor en los cálculos de Multiplicación de matrices generales (GEMM) para redes neuronales. Arm también agregará nuevas medidas de seguridad en todo el núcleo de la CPU y las cachés. Estas extensiones de seguridad podrán controlar la autorización de punteros y ofrecer identificadores de destino de rama y extensiones de etiquetado de memoria. Arm planea ofrecer otra arquitectura de seguridad de plataforma (PSA) de conformidad con EL2 con estas nuevas capacidades.

Tarifa de licencia reducida

A principios de julio, la compañía anunció un nuevo plan de licencias que brinda a los clientes acceso a algunas de sus IP más populares a un precio reducido. Los clientes pueden hacerlo sin necesidad de firmar un acuerdo de licencia hasta que se pegue un chip. El programa Under Arm Flexible Access, los clientes pagan solo $ 75,000 por año por un solo chip y $ 200,000 por un número ilimitado de chips. Este programa reduce la barrera financiera para comenzar a usar Arm cores.

Estos cambios se consideran la respuesta competitiva de Arm a RISC-V. Pero Arm está dando un paso más para realizar un cambio fundamental en su propia cultura corporativa.

Arm ha experimentado un cambio cultural y ha adoptado un modelo más colaborativo con su ecosistema. Como otro ejemplo de esos cambios, la empresa abrió la gobernanza del sistema operativo Mbed de código abierto a sus socios de silicio. Esto permitirá a esos socios influir más directamente en los desarrollos futuros de Mbed. Actualmente, Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs y u-blox son participantes activos.

Arm está respondiendo a las demandas del mercado y de los clientes como nunca antes lo había hecho. Todavía existen amenazas existenciales para la empresa, como RISC-V. Pero la propiedad intelectual de la compañía ha enviado 150 mil millones de chips hasta la fecha y espera duplicar ese número en dos años. Arm es un proveedor de IP fundamental para la gran mayoría de los dispositivos que se envían cada año y está realizando cambios cruciales para mantenerse al día con las cambiantes demandas del mercado y de los clientes.