Armにより、Cortex-Mコアのカスタマイズされた命令が可能になります

カリフォルニア州サンノゼ—今年のArm Techconの大きなニュースは、ArmがCortexMコアに関する顧客のカスタマイズされた命令に向けて命令セットを公開していることです。

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ArmCEOのSimonSegars（画像：Kevin Krewell）

ArmCEOのSimonSegarsは、ArmTechConでの開会基調講演の変更を発表しました。 Arm命令セットアーキテクチャ（ISA）を数十年にわたって厳しく管理した後、Armは最終的に、ライセンシーが独自のカスタム命令を作成できるようにすることを決定しました。これは、特殊なワークロードを加速するのに役立つことがよくあります。

過去には、Armはこの動きに抵抗し、一貫性のあるプログラミングモデルの維持に熱心に取り組んでいました。一方、他の多くの知的財産（IP）企業は、カスタマイズ可能な命令セットから優れたビジネスを展開しました。それらには、テンシリカ（現在はケイデンスの一部）とARC（現在はシノプシスの一部）が含まれます。由緒あるMIPS命令セットは、ユーザー定義の命令もサポートしていました。

そして今、オープンソースのRISC-V ISAとそのユーザー構成可能性の台頭により、Armはついに寛容になり、カスタマイズされた命令用の命令セットを開いたようです。この新しいカスタマイズ可能な機能とArmFlexible Accessライセンスプログラムは、顧客をRISC-Vに導く要因として多くの人が見ている2つの主要な問題に対処します。

最初にCortexMで、次にCortex-Rで

カスタマイズ可能な命令へのこの最初の進出は、Cortex-Mコアで利用できるようになります。この動きは主に、より大きなSoC内のマイクロコントローラーとコントローラーコア向けに設計されています。

カスタマイズ可能な命令をサポートする最初のCortex-Mパーツは、Cortex-M33です。将来のCortex-Mコアは、このレベルのカスタマイズをサポートする予定です。

もう1つの良いニュースは、CortexM33の新しい命令をカスタマイズする機能に対してArmが追加料金を請求していないことです。会議の後半にあるArmFellowのPeterGreenhalghは、ArmがリアルタイムのCortex-Rコアに対してカスタマイズ可能な命令サポートを提供し、最終的にはアプリケーションプロセッサで使用されるCortex-Aコアでこの機能を提供する可能性があることを示しました。

Arm TechCon2019のArmFellow Peter Greenhalghat（画像：Kevin Krewell）

Cortex-Rにカスタム命令を追加すると、リアルタイム制御アプリケーションに非常に役立ちます。特殊な命令を使用して、特殊な計算やデータ移動を高速化できます。 Armがスマートフォンやサーバーなどの主流アプリケーションに導入されたCortex-Aコアにカスタム命令サポートを追加する時期と方法ははるかに複雑であり、同社は正式にそうすることを約束していません。

信頼性とセキュリティの維持

Armは、Armv8-M命令セットでこれらの新しいユーザー命令をサポートし、ユーザーが常にArmに期待している信頼性と検証を維持するようにツールチェーンを設計しました。コアセキュリティを維持するために、同社はカスタム命令が監視されるArmTrustZoneと互換性のある新機能を作成しました。

アームはカスタムインストラクションパーティーに遅れていますが、同社はしばらくの間この能力を求めてきた顧客に対応しています。特殊な命令が1つでも、クロックサイクルが少なく、総エネルギーが削減され、パフォーマンスと効率が大幅に向上する場合があります。新しい命令は同じレジスタを使用しますが、追加のロジックが必要であり、追加のダイ領域と設計時間への投資が必要です。

新しい命令は、標準のArm命令とインターリーブされています。ソフトウェアの断片化を回避し、一貫性のあるソフトウェア開発環境を維持するために、Armは、顧客が主に呼び出されたライブラリ関数でカスタム命令を使用することを期待しています。

Armv8-M構成スペースのArmカスタム手順（出典：Armのホワイトペーパー）

ArmがCortex-M33でカスタム命令を使用している顧客に見られると予想される最初のアプリケーションは、ストレージコントローラーとモデムです。新しい機能は、2020年に無料アップグレードとしてCortex-M33で利用できるようになります。

Cortex-Aコアの場合、Armはカスタマイズ可能な命令を提供するまでにはまだ長い道のりですが、将来に向けて新しい命令とセキュリティ拡張機能を準備しています。同社は、ヘラクレスに続く次世代のCortex-Aコアのコードネームを発表しました。これはマッターホルンと呼ばれています。そのプロセッサコアは、機械学習ニューラルネットワークで一般的に使用されるマトリックス乗算を加速するための新しい命令を追加します。

Armは、新しいMatterhornコアがニューラルネットワークのGeneral Matrix Multiply（GEMM）計算を10倍改善することを期待しています。 Armはまた、CPUコアとキャッシュ全体に新しいセキュリティ対策を追加します。これらのセキュリティ拡張機能は、ポインタ認証を制御し、分岐ターゲット識別子とメモリタグ付け拡張機能を提供できるようになります。 Armは、これらの新機能に準拠した別のプラットフォームセキュリティアーキテクチャ（PSA）EL2を提供する予定です。

ライセンス料の削減

同社は7月の初めに、最も人気のあるIPのいくつかに割引価格でアクセスできる新しいライセンスプランを発表しました。顧客は、チップがテープアウトされるまで、ライセンス契約に署名する必要なしにそうすることができます。 Arm Flexible Accessプログラムでは、顧客は1つのチップに年間わずか75,000ドル、無制限の数のチップに200,000ドルを支払います。このプログラムは、Armコアの使用を開始する際の経済的障壁を低くします。

これらの変更は、RISC-Vに対するArmの競争力のある対応と見なされています。しかし、Armはさらに一歩進んで、自社の企業文化に根本的な変化をもたらしています。

Armは文化的な変化を遂げ、そのエコシステムとのより協調的なモデルを採用しています。これらの変更の別の例として、同社はオープンソースのMbedOSのガバナンスをシリコンパートナーに開放しました。これにより、これらのパートナーはMbedの将来の開発により直接的に影響を与えることができます。現在、Analog Devices、Cypress、Maxim Integrated、Nuvoton、NXP、Renesas、Realtek、Samsung、Silicon Labs、u-bloxが積極的に参加しています。

Armは、これまでにない方法で市場と顧客の要求に応えています。 RISC-Vのように、会社にはまだ存在する脅威があります。しかし、同社のIPはこれまでに1,500億チップで出荷されており、2年間でその数が2倍になると見込んでいます。 Armは、毎年出荷されるデバイスの大部分にとって重要なIPサプライヤーであり、変化する市場と顧客の需要に対応するために重要な変更を行っています。