Arm introduce soporte de instrucciones personalizadas para núcleos Cortex-M, ampliando flexibilidad

SAN JOSE, Calif. — En un anuncio histórico en Arm TechCon, el CEO de Arm, Simon Segars, reveló que la compañía permitirá ahora a licenciatarios embeber instrucciones personalizadas dentro de sus núcleos Cortex-M, marcando un cambio significativo desde su arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) históricamente rígida.

Tras décadas manteniendo una ISA fuertemente controlada, Arm abre su arquitectura para permitir a usuarios crear instrucciones especializadas que aceleren cargas de trabajo de nicho.

Mientras otras firmas de propiedad intelectual —como Tensilica (ahora parte de Cadence), ARC (ahora parte de Synopsys) y la legacy ISA MIPS— han ofrecido largo tiempo instrucciones definidas por usuario, Arm había resistido esta tendencia para preservar un modelo de programación consistente.

Con el auge de la ISA open-source RISC-V y su configurabilidad, Arm finalmente ha cedido, abordando dos preocupaciones clave que han impulsado clientes hacia RISC-V: flexibilidad y coste.

Primero en Cortex-M, luego en Cortex-R

Primero en Cortex-M, luego en Cortex-R, Arm lanzará soporte de instrucciones personalizables para el Cortex-M33, la primera parte en recibir esta capacidad. Futuros núcleos Cortex-M también la soportarán.

Arm proporcionará esta característica sin coste adicional para el Cortex-M33. Según el Fellow de Arm Peter Greenhalgh, la compañía planea extender el soporte de instrucciones personalizadas a núcleos Cortex-R en tiempo real —y eventualmente podría añadirlo a procesadores de aplicación Cortex-A.

Las instrucciones personalizadas en Cortex-R pueden acelerar dramáticamente aplicaciones de control en tiempo real al embeber operaciones especializadas para tareas computacionalmente intensivas o de movimiento de datos. Si y cuándo Arm traerá esta capacidad a núcleos Cortex-A, usados en smartphones y servidores, permanece incierto.

El toolchain de Arm ahora soporta estas instrucciones de usuario en la ISA Armv8-M mientras preserva los estándares de fiabilidad y verificación que el ecosistema espera. La nueva capacidad también es totalmente compatible con Arm TrustZone, permitiendo al framework de seguridad monitorizar operaciones personalizadas.

Aunque Arm entró en la arena de instrucciones personalizadas más tarde que sus pares, el movimiento responde a demanda antigua de clientes. Incluso una sola instrucción especializada puede entregar ganancias medibles en rendimiento, reduciendo ciclos de reloj y consumo de energía —aunque con compromisos modestos en área de die y tiempo de diseño.

Las instrucciones personalizadas se intercalarán con opcodes estándar de Arm. Para evitar fragmentación de software y mantener un entorno de desarrollo coherente, Arm recomienda que clientes las empleen principalmente dentro de funciones de librería.

Casos de uso iniciales y roadmap

Casos de uso iniciales objetivo de Arm incluyen controladores de almacenamiento y módems. La característica de instrucciones personalizadas estará disponible como actualización gratuita para el Cortex-M33 en 2020.

Para núcleos Cortex-A, Arm aún está a varios años de ofrecer instrucciones personalizadas pero está desarrollando nuevas instrucciones y extensiones de seguridad para el próximo núcleo Matterhorn, sucesor de Hercules. Matterhorn está previsto para acelerar multiplicación de matrices —crítica para inferencia de redes neuronales— con una mejora proyectada de 10x en rendimiento General Matrix Multiply (GEMM).

Además de ganancias de rendimiento, Matterhorn introducirá autorización de punteros, identificadores de target de rama y extensiones de etiquetado de memoria, allanando el camino para cumplimiento Platform Security Architecture (PSA) EL2.

Este año, Arm presentó su programa de licenciamiento Flexible Access, reduciendo costes iniciales. Bajo el programa, clientes pagan solo $75,000 al año por un chip y $200,000 para chips ilimitados, eliminando la necesidad de un acuerdo de licenciamiento completo hasta que el diseño está tapeado.

Esta estrategia de precios flexible reduce la barrera financiera para desarrolladores y señala la respuesta competitiva de Arm a RISC-V.

Arm también está remodelando su cultura corporativa para fomentar colaboración más profunda. Por ejemplo, la compañía ha abierto la gobernanza del open-source Mbed OS a socios de silicio —incluyendo Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs y u-blox— permitiéndoles influir en decisiones futuras de roadmap.

El IP de Arm ya ha sido enviado en 150 mil millones de chips y la compañía proyecta que ese número se duplicará en los próximos dos años, subrayando su papel crítico en el ecosistema global de semiconductores.