Arm ermöglicht benutzerdefinierte Anweisungen für Cortex-M-Kerne

SAN JOSE, Kalifornien – Die große Neuigkeit auf der diesjährigen Arm Techcon ist, dass Arm seinen Befehlssatz für die kundenspezifischen Anweisungen von Kunden für Cortex-M-Kerne öffnet.

Arm-CEO Simon Segars (Bild:Kevin Krewell)

Arm-CEO Simon Segars gab die Änderungen in seiner Eröffnungs-Keynote auf der Arm TechCon bekannt. Nach jahrzehntelanger strenger Kontrolle über die Arm Instruction Set Architecture (ISA) hat Arm endlich entschieden, dass es seinen Lizenznehmern erlauben kann, ihre eigenen benutzerdefinierten Befehle zu erstellen, die oft nützlich sind, um spezialisierte Workloads zu beschleunigen.

In der Vergangenheit hat sich Arm diesem Schritt widersetzt und sich intensiv auf die Aufrechterhaltung eines konsistenten Programmiermodells konzentriert. In der Zwischenzeit haben eine Vielzahl anderer Unternehmen für geistiges Eigentum (IP) ein gutes Geschäft mit anpassbaren Befehlssätzen gemacht. Dazu gehören Tensilica (jetzt Teil von Cadence) und ARC (jetzt Teil von Synopsys). Der ehrwürdige MIPS-Befehlssatz unterstützte auch benutzerdefinierte Befehle.

Und jetzt, mit dem Aufkommen des Open-Source-RISC-V ISA und seiner Benutzerkonfigurierbarkeit, scheint es, dass Arm endlich nachgegeben und seinen Befehlssatz für benutzerdefinierte Befehle geöffnet hat. Diese neue anpassbare Funktion und das Arm Flexible Access-Lizenzprogramm adressieren zwei Hauptprobleme, die von vielen als Faktoren angesehen werden, die ihre Kunden zu RISC-V führen.

Zuerst auf Cortex M, dann auf Cortex-R

Dieser erste Ausflug in anpassbare Anweisungen wird für die Cortex-M-Kerne zur Verfügung gestellt. Der Umzug ist hauptsächlich für Mikrocontroller und Controller-Kerne in größeren SoCs konzipiert.

Der erste Cortex-M-Teil, der anpassbare Anweisungen unterstützt, ist der Cortex-M33. Zukünftige Cortex-M-Kerne werden dieses Maß an Anpassung unterstützen.

Die andere gute Nachricht ist, dass Arm keine zusätzlichen Kosten für die Möglichkeit erhebt, neue Anweisungen für den Cortex M33 anzupassen. Arm Fellow Peter Greenhalgh gab später auf der Konferenz bekannt, dass Arm anpassbare Befehlsunterstützung für die Echtzeit-Cortex-R-Kerne bieten wird und diese Funktion möglicherweise auf den in Anwendungsprozessoren verwendeten Cortex-A-Kernen anbieten wird.

Arm Fellow Peter Greenhalghat auf der Arm TechCon 2019 (Bild:Kevin Krewell)

Das Hinzufügen von benutzerdefinierten Anweisungen zu Cortex-R kann für Echtzeitsteuerungsanwendungen sehr hilfreich sein. Sie können spezielle Anweisungen verwenden, um spezielle Berechnungen oder Datenbewegungen zu beschleunigen. Wann und wie Arm den Cortex-A-Kernen, die in Mainstream-Anwendungen wie Smartphones und Servern eingesetzt werden, benutzerdefinierte Befehlsunterstützung hinzufügt, ist weitaus komplizierter und das Unternehmen hat sich dazu nicht offiziell verpflichtet.

Zuverlässigkeit und Sicherheit aufrechterhalten

Arm hat seine Toolchain so konzipiert, dass sie diese neuen Benutzeranweisungen im Armv8-M-Befehlssatz unterstützt und dennoch die Zuverlässigkeit und Verifizierung beibehält, die Benutzer immer von Arm erwartet haben. Um die Kernsicherheit zu gewährleisten, hat das Unternehmen die neue Funktion kompatibel mit Arm TrustZone gemacht, wo die benutzerdefinierten Anweisungen überwacht werden.

Während Arm zu spät zur Party mit benutzerdefinierten Anweisungen kommt, reagiert das Unternehmen auf Kunden, die seit einiger Zeit nach dieser Möglichkeit fragen. Es gibt Fälle, in denen sogar ein spezialisierter Befehl mit weniger Taktzyklen und einer Reduzierung der Gesamtenergie erhebliche Leistungs- und Effizienzgewinne bieten kann. Die neuen Befehle verwenden dieselben Register, erfordern jedoch zusätzliche Logik, was eine Investition in zusätzliche Chipfläche und Entwurfszeit erfordert.

Die neuen Anweisungen sind mit Standard-Arm-Anweisungen verschachtelt. Um eine Softwarefragmentierung zu vermeiden und eine kohärente Softwareentwicklungsumgebung aufrechtzuerhalten, erwartet Arm von seinen Kunden, dass sie die benutzerdefinierten Anweisungen hauptsächlich in aufgerufenen Bibliotheksfunktionen verwenden.

Benutzerdefinierte Anweisungen für den Armv8-M-Konfigurationsbereich (Quelle:Whitepaper von Arm)

Die ersten Anwendungen, von denen Arm erwartet, dass Kunden benutzerdefinierte Anweisungen auf dem Cortex-M33 verwenden, sind Speichercontroller und Modems. Die neue Funktion wird 2020 für den Cortex-M33 als kostenloses Upgrade verfügbar sein.

Für Cortex-A-Kerne ist Arm noch weit davon entfernt, anpassbare Anweisungen anzubieten, bereitet jedoch neue Anweisungen und Sicherheitserweiterungen für die Zukunft vor. Das Unternehmen enthüllte den Codenamen für die nächste Generation von Cortex-A-Kernen nach Hercules:Matterhorn. Dieser Prozessorkern fügt neue Anweisungen hinzu, um Matrixmultiplikationen zu beschleunigen, die häufig in neuronalen Netzwerken für maschinelles Lernen verwendet werden.

Arm erwartet, dass der neue Matterhorn-Kern eine 10-fache Verbesserung der General Matrix Multiply (GEMM)-Berechnungen für neuronale Netze bietet. Arm wird auch neue Sicherheitsmaßnahmen im gesamten CPU-Kern und in den Caches hinzufügen. Diese Sicherheitserweiterungen werden in der Lage sein, die Autorisierung von Zeigern zu steuern und Verzweigungszielkennungen und Erweiterungen für das Speichertagging anzubieten. Arm plant, eine weitere Platform Security Architecture (PSA) EL2-Konformität mit diesen neuen Funktionen anzubieten.

Reduzierte Lizenzgebühr

Anfang Juli kündigte das Unternehmen einen neuen Lizenzplan an, der Kunden den Zugang zu einigen seiner beliebtesten IP zu einem reduzierten Preis ermöglicht. Kunden können dies tun, ohne einen Lizenzvertrag unterzeichnen zu müssen, bis ein Chip abgeklebt ist. Im Rahmen des Arm Flexible Access-Programms zahlen Kunden nur 75.000 US-Dollar pro Jahr für einen einzelnen Chip und 200.000 US-Dollar für eine unbegrenzte Anzahl von Chips. Dieses Programm senkt die finanzielle Hürde für den Einstieg in die Verwendung von Arm-Kernen.

Diese Änderungen werden als wettbewerbsfähige Reaktion von Arm auf RISC-V angesehen. Aber Arm geht noch einen Schritt weiter, um die eigene Unternehmenskultur grundlegend zu verändern.

Arm hat einen kulturellen Wandel durchgemacht und hat mit seinem Ökosystem ein stärker kollaboratives Modell angenommen. Als weiteres Beispiel für diese Änderungen öffnete das Unternehmen seinen Siliziumpartnern die Governance des Open-Source-Mbed-Betriebssystems. Dies wird es diesen Partnern ermöglichen, zukünftige Entwicklungen von Mbed direkter zu beeinflussen. Derzeit sind Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs und u-blox aktive Teilnehmer.

Arm reagiert auf eine noch nie dagewesene Weise auf Markt- und Kundenanforderungen. Es gibt immer noch existenzielle Bedrohungen für das Unternehmen, wie RISC-V. Aber das IP des Unternehmens hat bisher 150 Milliarden Chips ausgeliefert und es wird erwartet, dass sich diese Zahl in zwei Jahren verdoppeln wird. Arm ist ein wichtiger IP-Lieferant für die überwiegende Mehrheit der jährlich ausgelieferten Geräte und nimmt entscheidende Änderungen vor, um mit den sich ändernden Markt- und Kundenanforderungen Schritt zu halten.