Arm mengaktifkan instruksi yang disesuaikan untuk inti Cortex-M

SAN JOSE, California — Berita besar di Arm Techcon tahun ini adalah bahwa Arm membuka set instruksinya ke instruksi khusus pelanggan untuk core Cortex M.

CEO Arm Simon Segars (Gambar:Kevin Krewell)

CEO Arm Simon Segars mengumumkan perubahan dalam pidato pembukaannya di Arm TechCon. Setelah beberapa dekade kontrol ketat atas arsitektur set instruksi Arm (ISA), Arm akhirnya memutuskan bahwa ia dapat mengizinkan pemegang lisensinya untuk membuat instruksi kustom mereka sendiri, yang seringkali berguna untuk mempercepat beban kerja khusus.

Di masa lalu, Arm menolak langkah ini, dengan sungguh-sungguh berfokus pada pemeliharaan model pemrograman yang konsisten. Sementara itu, sejumlah perusahaan kekayaan intelektual (IP) lainnya membuat bisnis yang baik dari set instruksi yang dapat disesuaikan. Mereka termasuk Tensilica (sekarang bagian dari Cadence) dan ARC (sekarang bagian dari Synopsys). Set instruksi MIPS yang terhormat juga mendukung instruksi yang ditentukan pengguna.

Dan sekarang, dengan munculnya ISA RISC-V open-source dan konfigurasi penggunanya, tampaknya Arm akhirnya mengalah dan membuka set instruksinya untuk instruksi yang disesuaikan. Kemampuan baru yang dapat disesuaikan dan program lisensi Arm Flexible Access ini mengatasi dua masalah utama yang dipandang oleh banyak orang sebagai faktor yang mendorong pelanggannya ke RISC-V.

Pertama di Cortex M, lalu Cortex-R

Peluncuran awal ke dalam instruksi yang dapat disesuaikan ini akan tersedia untuk core Cortex-M. Langkah ini sebagian besar dirancang untuk mikrokontroler dan inti pengontrol di dalam SoC yang lebih besar.

Bagian Cortex-M pertama yang mendukung instruksi yang dapat disesuaikan adalah Cortex-M33. Core Cortex-M masa depan akan mendukung tingkat penyesuaian ini.

Kabar baik lainnya adalah Arm tidak mengenakan biaya tambahan untuk kemampuan menyesuaikan instruksi baru untuk Cortex M33. Arm Fellow Peter Greenhalgh kemudian dalam konferensi tersebut menunjukkan bahwa Arm akan menawarkan dukungan instruksi yang dapat disesuaikan untuk core Cortex-R real-time dan pada akhirnya dapat menawarkan fitur ini pada core Cortex-A yang digunakan dalam prosesor aplikasi.

Rekan Lengan Peter Greenhalghat di Arm TechCon 2019 (Gambar:Kevin Krewell)

Menambahkan instruksi khusus ke Cortex-R bisa sangat membantu untuk aplikasi kontrol waktu nyata. Mereka dapat menggunakan instruksi khusus untuk mempercepat perhitungan khusus atau pergerakan data. Kapan dan bagaimana Arm akan menambahkan dukungan instruksi khusus ke inti Cortex-A, yang diterapkan di aplikasi umum seperti ponsel cerdas dan server, jauh lebih rumit dan perusahaan tidak secara resmi berkomitmen untuk melakukannya.

Menjaga keandalan dan keamanan

Arm telah merancang rantai alatnya untuk mendukung instruksi pengguna baru ini dalam set instruksi Armv8-M dan tetap mempertahankan keandalan dan verifikasi yang selalu diharapkan pengguna dari Arm. Untuk menjaga keamanan inti, perusahaan telah membuat kemampuan baru yang kompatibel dengan Arm TrustZone di mana instruksi khusus akan dipantau.

Sementara Arm terlambat ke pesta instruksi kustom, perusahaan menanggapi pelanggan yang telah meminta kemampuan ini selama beberapa waktu. Ada kasus di mana bahkan satu instruksi khusus dapat menawarkan keuntungan yang signifikan dalam kinerja dan efisiensi, dengan siklus clock yang lebih sedikit, dan pengurangan energi total. Instruksi baru menggunakan register yang sama, tetapi memerlukan logika tambahan, yang memerlukan investasi pada area die tambahan dan waktu desain.

Instruksi baru disisipkan dengan instruksi Arm standar. Untuk menghindari fragmentasi perangkat lunak dan memelihara lingkungan pengembangan perangkat lunak yang koheren, Arm mengharapkan pelanggan untuk menggunakan instruksi khusus sebagian besar dalam fungsi perpustakaan yang disebut.

Petunjuk Khusus Arm untuk ruang konfigurasi Armv8-M (Sumber:Buku putih Arm)

Aplikasi awal yang diharapkan Arm untuk dilihat pelanggan yang menggunakan instruksi khusus pada Cortex-M33 adalah pengontrol penyimpanan dan modem. Kemampuan baru ini akan tersedia untuk Cortex-M33 pada tahun 2020 sebagai peningkatan gratis.

Untuk inti Cortex-A, Arm masih jauh dari menawarkan instruksi yang dapat disesuaikan, tetapi sedang mempersiapkan instruksi baru dan ekstensi keamanan untuk masa depan. Perusahaan meluncurkan nama kode untuk generasi berikutnya dari inti Cortex-A setelah Hercules:itu disebut Matterhorn. Inti prosesor tersebut akan menambahkan instruksi baru untuk mempercepat perkalian matriks, yang biasa digunakan dalam jaringan saraf pembelajaran mesin.

Arm mengharapkan inti Matterhorn baru akan menawarkan peningkatan 10x pada perhitungan General Matrix Multiply (GEMM) untuk jaringan saraf. Arm juga akan menambahkan langkah-langkah keamanan baru di seluruh inti CPU dan cache. Ekstensi keamanan ini akan dapat mengontrol otorisasi penunjuk, dan menawarkan pengidentifikasi target cabang dan ekstensi penandaan memori. Arm berencana untuk menawarkan kepatuhan Platform Security Architecture (PSA) EL2 lainnya dengan kemampuan baru ini.

Pengurangan biaya lisensi

Sebelumnya pada bulan Juli, perusahaan mengumumkan rencana lisensi baru yang menyediakan akses pelanggan ke beberapa IP paling populer dengan harga lebih murah. Pelanggan dapat melakukannya tanpa perlu menandatangani perjanjian lisensi sampai sebuah chip ditempelkan. Di bawah program Akses Fleksibel Arm, pelanggan hanya membayar $75.000 per tahun untuk satu chip dan $200.000 untuk jumlah chip yang tidak terbatas. Program ini mengurangi hambatan finansial untuk mulai menggunakan inti Arm.

Perubahan ini dipandang sebagai respons kompetitif Arm terhadap RISC-V. Namun Arm mengambil langkah lebih jauh untuk membuat perubahan mendasar pada budaya perusahaannya sendiri.

Arm telah mengalami pergeseran budaya dan merangkul model yang lebih kolaboratif dengan ekosistemnya. Sebagai contoh lain dari perubahan tersebut, perusahaan membuka tata kelola OS Mbed sumber terbuka kepada mitra silikonnya. Ini akan memungkinkan mitra tersebut untuk lebih langsung mempengaruhi perkembangan Mbed di masa depan. Saat ini, Perangkat Analog, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs, dan u-blox, adalah peserta aktif.

Arm menanggapi permintaan pasar dan pelanggan dengan cara yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Masih ada ancaman eksistensial bagi perusahaan, seperti RISC-V. Tetapi IP perusahaan telah mengirimkan 150 miliar chip hingga saat ini dan diperkirakan akan menggandakan jumlah itu dalam dua tahun. Arm adalah pemasok IP penting untuk sebagian besar perangkat yang dikirim setiap tahun dan Arm membuat perubahan penting untuk mengikuti perubahan pasar dan permintaan pelanggan.