Arm introduit le support d'instructions personnalisées pour les cœurs Cortex-M, élargissant la flexibilité

SAN JOSE, Californie — Dans une annonce historique à Arm TechCon, le PDG d'Arm Simon Segars a révélé que la société permettra désormais aux licenciés d'intégrer des instructions personnalisées au sein de ses cœurs Cortex-M, marquant un changement significatif par rapport à son architecture d'ensemble d'instructions (ISA) historiquement rigide.

Après des décennies de maintien d'un ISA étroitement contrôlé, Arm ouvre son architecture pour permettre aux utilisateurs de créer des instructions spécialisées qui accélèrent des charges de travail de niche.

Alors que d'autres sociétés de propriété intellectuelle — telles que Tensilica (maintenant partie de Cadence), ARC (maintenant partie de Synopsys) et l'ISA MIPS legacy — offrent depuis longtemps des instructions définies par l'utilisateur, Arm avait résisté à cette tendance pour préserver un modèle de programmation cohérent.

Avec l'essor de l'ISA open-source RISC-V et sa configurabilité, Arm a finalement cédé, répondant à deux préoccupations clés qui ont poussé les clients vers RISC-V : la flexibilité et le coût.

D'abord sur Cortex-M, puis sur Cortex-R, Arm publiera le support d'instructions personnalisables pour le Cortex-M33, la première partie à recevoir cette capacité. Les futurs cœurs Cortex-M la prendront également en charge.

Arm fournira cette fonctionnalité sans coût additionnel pour le Cortex-M33. Selon le Fellow d'Arm Peter Greenhalgh, la société prévoit d'étendre le support d'instructions personnalisées aux cœurs Cortex-R temps réel — et pourrait éventuellement l'ajouter aux processeurs d'application Cortex-A.

Arm Fellow Peter Greenhalgh à Arm TechCon 2019 (Image : Kevin Krewell)

Les instructions personnalisées sur Cortex-R peuvent accélérer considérablement les applications de contrôle temps réel en intégrant des opérations spécialisées pour les tâches de calcul intensif ou de déplacement de données. La question de savoir si et quand Arm apportera cette capacité aux cœurs Cortex-A, utilisés dans les smartphones et serveurs, reste incertaine.

La chaîne d'outils d'Arm prend désormais en charge ces instructions utilisateur dans l'ISA Armv8-M tout en préservant les standards de fiabilité et de vérification attendus par l'écosystème. La nouvelle capacité est également pleinement compatible avec Arm TrustZone, permettant au framework de sécurité de surveiller les opérations personnalisées.

Bien qu'Arm soit entré dans l'arène des instructions personnalisées plus tard que ses pairs, ce mouvement répond à une demande client de longue date. Même une seule instruction spécialisée peut apporter des gains mesurables en performance, réduisant les cycles d'horloge et la consommation d'énergie — bien qu'avec des compromis modérés en surface de puce et temps de conception.

Les instructions personnalisées seront intercalées avec les opcodes Arm standard. Pour éviter la fragmentation logicielle et maintenir un environnement de développement cohérent, Arm recommande aux clients de les employer principalement au sein de fonctions de bibliothèque.

Espace de configuration Arm Custom Instructions pour Armv8-M (Source : livre blanc d'Arm)

Les cas d'utilisation initiaux ciblés par Arm incluent les contrôleurs de stockage et les modems. La fonctionnalité d'instructions personnalisées sera disponible comme mise à niveau gratuite pour le Cortex-M33 en 2020.

Pour les cœurs Cortex-A, Arm est encore à plusieurs années d'offrir des instructions personnalisées mais développe de nouvelles instructions et extensions de sécurité pour le futur cœur Matterhorn, successeur d'Hercule. Matterhorn est prévu pour accélérer la multiplication matricielle — critique pour l'inférence de réseaux de neurones — avec une amélioration projetée de 10x de la performance General Matrix Multiply (GEMM).

En plus des gains de performance, Matterhorn introduira l'autorisation de pointeurs, les identifiants de cibles de branchement et les extensions de marquage mémoire, ouvrant la voie à la conformité Platform Security Architecture (PSA) EL2.

Plus tôt cette année, Arm a dévoilé son programme de licence Flexible Access, réduisant drastiquement les coûts initiaux. Dans le cadre du programme, les clients paient seulement 75 000 $ par an pour une seule puce et 200 000 $ pour des puces illimitées, éliminant le besoin d'un accord de licence complet jusqu'au tape-out du design.

Cette stratégie de tarification flexible abaisse la barrière financière pour les développeurs et signale la réponse concurrentielle d'Arm à RISC-V.

Arm refaçonne également sa culture d'entreprise pour favoriser une collaboration plus profonde. Par exemple, la société a ouvert la gouvernance de l'OS open-source Mbed aux partenaires silicium — incluant Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs et u-blox — leur permettant d'influencer les futures décisions de roadmap.

L'IP d'Arm a déjà été expédiée sur 150 milliards de puces et la société projette que ce nombre doublera dans les deux prochaines années, soulignant son rôle critique dans l'écosystème mondial des semi-conducteurs.