Arm permet des instructions personnalisées pour les cœurs Cortex-M

SAN JOSE, Californie — La grande nouvelle d'Arm Techcon cette année est qu'Arm ouvre son jeu d'instructions aux instructions personnalisées des clients pour les cœurs Cortex M.

Le PDG d'Arm Simon Segars (Image :Kevin Krewell)

Le PDG d'Arm, Simon Segars, a annoncé les changements dans son discours d'ouverture à Arm TechCon. Après des décennies de contrôle étroit sur l'architecture du jeu d'instructions (ISA) d'Arm, Arm a finalement décidé qu'il pouvait permettre à ses titulaires de licence de créer leurs propres instructions personnalisées, qui sont souvent utiles pour accélérer les charges de travail spécialisées.

Dans le passé, Arm a résisté à cette décision, se concentrant intensément sur le maintien d'un modèle de programmation cohérent. Pendant ce temps, une multitude d'autres sociétés de propriété intellectuelle (PI) ont fait de bonnes affaires avec des jeux d'instructions personnalisables. Ils incluent Tensilica (maintenant partie de Cadence) et ARC (maintenant partie de Synopsys). Le vénérable jeu d'instructions MIPS prenait également en charge les instructions définies par l'utilisateur.

Et maintenant, avec la montée en puissance de l'ISA RISC-V open source et de sa configurabilité par l'utilisateur, il semble qu'Arm ait finalement cédé et ouvert son jeu d'instructions pour des instructions personnalisées. Cette nouvelle capacité personnalisable et le programme de licence Arm Flexible Access résolvent deux problèmes principaux qui sont considérés par beaucoup comme des facteurs poussant ses clients à adopter RISC-V.

D'abord sur Cortex M, puis Cortex-R

Cette première incursion dans les instructions personnalisables sera disponible pour les cœurs Cortex-M. Le mouvement est principalement conçu pour les microcontrôleurs et les cœurs de contrôleur à l'intérieur de SoC plus grands.

La première pièce Cortex-M à prendre en charge les instructions personnalisables est la Cortex-M33. Les futurs cœurs Cortex-M prendront en charge ce niveau de personnalisation.

L'autre bonne nouvelle est qu'Arm ne facture pas de frais supplémentaires pour la possibilité de personnaliser de nouvelles instructions pour le Cortex M33. Plus tard au cours de la conférence, Peter Greenhalgh, membre d'Arm, a indiqué qu'Arm offrirait une prise en charge des instructions personnalisables pour les cœurs Cortex-R en temps réel et pourrait éventuellement proposer cette fonctionnalité sur les cœurs Cortex-A utilisés dans les processeurs d'application.

Peter Greenhalghat, membre de l'équipe Arm à l'Arm TechCon 2019 (Image :Kevin Krewell)

L'ajout d'instructions personnalisées à Cortex-R peut être très utile pour les applications de contrôle en temps réel. Ils peuvent utiliser des instructions spécialisées pour accélérer les calculs spécialisés ou le mouvement des données. Quand et comment Arm ajoutera la prise en charge des instructions personnalisées aux cœurs Cortex-A, déployés dans les applications grand public telles que les smartphones et les serveurs, est beaucoup plus compliqué et la société ne s'est pas officiellement engagée à le faire.

Maintien de la fiabilité et de la sécurité

Arm a conçu sa chaîne d'outils pour prendre en charge ces nouvelles instructions utilisateur dans le jeu d'instructions Armv8-M tout en maintenant la fiabilité et la vérification que les utilisateurs ont toujours attendues d'Arm. Pour maintenir la sécurité de base, la société a rendu la nouvelle capacité compatible avec Arm TrustZone où les instructions personnalisées seront surveillées.

Alors qu'Arm est en retard pour la partie des instructions personnalisées, la société répond aux clients qui demandent cette capacité depuis un certain temps. Il existe des cas où même une seule instruction spécialisée peut offrir des gains significatifs en termes de performances et d'efficacité, avec moins de cycles d'horloge et une réduction de l'énergie totale. Les nouvelles instructions utilisent les mêmes registres, mais nécessitent une logique supplémentaire, ce qui nécessite un investissement dans une zone de matrice et un temps de conception supplémentaires.

Les nouvelles instructions sont entrelacées avec les instructions Arm standard. Pour éviter la fragmentation des logiciels et maintenir un environnement de développement logiciel cohérent, Arm s'attend à ce que les clients utilisent les instructions personnalisées principalement dans les fonctions de bibliothèque appelées.

Instructions personnalisées d'Arm pour l'espace de configuration Armv8-M (Source :livre blanc d'Arm)

Les applications initiales qu'Arm s'attend à ce que les clients utilisent des instructions personnalisées sur le Cortex-M33 sont les contrôleurs de stockage et les modems. La nouvelle fonctionnalité sera disponible pour le Cortex-M33 en 2020 sous forme de mise à niveau gratuite.

Pour les cœurs Cortex-A, Arm est encore loin d'offrir des instructions personnalisables, mais il prépare de nouvelles instructions et extensions de sécurité pour l'avenir. La société a dévoilé le nom de code de la prochaine génération de cœurs Cortex-A après Hercules :elle s'appelle Matterhorn. Ce cœur de processeur ajoutera de nouvelles instructions pour accélérer les multiplications matricielles, couramment utilisées dans les réseaux de neurones d'apprentissage automatique.

Arm s'attend à ce que le nouveau noyau Matterhorn offre une amélioration de 10 fois les calculs de multiplication matricielle générale (GEMM) pour les réseaux de neurones. Arm ajoutera également de nouvelles mesures de sécurité dans le cœur du processeur et les caches. Ces extensions de sécurité pourront contrôler l'autorisation du pointeur et offrir des identifiants de cible de branche et des extensions de marquage mémoire. Arm prévoit d'offrir une autre conformité EL2 à l'architecture de sécurité de la plate-forme (PSA) avec ces nouvelles capacités.

Frais de licence réduits

Plus tôt en juillet, la société a annoncé un nouveau plan de licence qui permet aux clients d'accéder à certaines de ses adresses IP les plus populaires à un prix réduit. Les clients peuvent le faire sans avoir besoin de signer un accord de licence jusqu'à ce qu'une puce soit enregistrée. Dans le cadre du programme Arm Flexible Access, les clients ne paient que 75 000 $ par an pour une seule puce et 200 000 $ pour un nombre illimité de puces. Ce programme abaisse la barrière financière pour commencer à utiliser les noyaux Arm.

Ces changements sont considérés comme la réponse concurrentielle d'Arm à RISC-V. Mais Arm va plus loin pour apporter un changement fondamental à sa propre culture d'entreprise.

Arm a subi un changement culturel et a adopté un modèle plus collaboratif avec son écosystème. Autre exemple de ces changements, la société a ouvert la gouvernance du système d'exploitation open source Mbed à ses partenaires silicium. Cela permettra à ces partenaires d'influencer plus directement les futurs développements de Mbed. Actuellement, Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs et u-blox sont des participants actifs.

Arm répond aux demandes du marché et des clients comme jamais auparavant. Il y a toujours des menaces existentielles pour l'entreprise, comme RISC-V. Mais l'IP de la société a livré 150 milliards de puces à ce jour et elle espère doubler ce nombre en deux ans. Arm est un fournisseur IP essentiel pour la grande majorité des appareils expédiés chaque année et il apporte des changements cruciaux pour suivre l'évolution des demandes du marché et des clients.