Arm、Cortex-Mコアでカスタム命令サポートを導入——柔軟性を拡大

カリフォルニア州サンノゼ——Arm TechConでの画期的な発表で、Arm CEOのSimon Segars氏は、同社がライセンシーにCortex-Mコア内へのカスタム命令の埋め込みを許可することを明らかにしました。これは、歴史的に厳格に管理されてきた命令セットアーキテクチャ（ISA）からの重大な転換を意味します。

数十年にわたり厳密に制御されたISAを維持してきたArmが、ニッチなワークロードを高速化する特殊命令の作成をユーザーに許可する方向へアーキテクチャを開放しました。

他のIP企業——Tensilica（現Cadence傘下）、ARC（現Synopsys傘下）、レガシーのMIPS ISA——は長らくユーザー定義命令を提供してきましたが、Armは一貫したプログラミングモデルを維持するため、このトレンドに抵抗してきました。

オープンソースのRISC-V ISAの台頭とその設定可能性により、Armはついに譲歩し、顧客をRISC-Vへ駆り立ててきた2つの主要懸念——柔軟性とコスト——に対応しました。

まずCortex-Mで、次にCortex-Rで、ArmはCortex-M33向けにカスタマイズ可能な命令サポートをリリースします。これはこの機能を受ける最初の製品です。将来のCortex-Mコアもこれをサポートします。

Arm FellowのPeter Greenhalgh氏によると、Cortex-M33向けにはこの機能を追加コストなしで提供します。同氏は、カスタム命令サポートをCortex-Rリアルタイムコアへ拡張する計画があり、最終的にはCortex-Aアプリケーションプロセッサーへの追加も検討していると語っています。

Arm TechCon 2019でのArm Fellow Peter Greenhalgh氏（画像：Kevin Krewell）

Cortex-Rでのカスタム命令は、計算集約的またはデータ移動タスクの特殊演算を埋め込むことで、リアルタイム制御アプリケーションを劇的に高速化できます。スマートフォンやサーバーで使用されるCortex-Aコアへの導入時期と可否は不透明です。

Armのツールチェーンは、Armv8-M ISAでこれらのユーザー命令をサポートしつつ、エコシステムが期待する信頼性と検証標準を維持します。この新機能はArm TrustZoneとも完全に互換性があり、セキュリティフレームワークがカスタム演算を監視できます。

競合他社より遅れてカスタム命令の分野に参入しましたが、この動きは長年の顧客要望に応えるものです。単一の特殊命令でも、パフォーマンスの向上、クロックサイクルとエネルギー消費の削減という測定可能な利益をもたらします——わずかなダイエリアと設計時間のトレードオフはありますが。

カスタム命令は標準Armオペコードとインターリーブされます。ソフトウェアの断片化を防ぎ、一貫した開発環境を維持するため、Armは主にライブラリ関数内での使用を推奨しています。

Armv8-M設定空間におけるArmカスタム命令（出典：Armのホワイトペーパー）

Armが最初にターゲットとするユースケースには、ストレージコントローラーとモデムが含まれます。カスタム命令機能は、2020年にCortex-M33向けの無料アップグレードとして提供されます。

Cortex-Aコアについては、Armはまだ数年先ですが、Herculesの後継である次期Matterhornコア向けに新しい命令とセキュリティ拡張を開発中です。Matterhornは行列乗算を高速化し、ニューラルネットワーク推論に不可欠なGeneral Matrix Multiply（GEMM）性能で10倍の向上を予定しています。

性能向上に加え、Matterhornはポインタ認証、ブランチターゲット識別、メモリタギング拡張を導入し、Platform Security Architecture（PSA）EL2準拠への道を開きます。

今年初め、Armはフレキシブルアクセスライセンスプログラムを発表し、初期コストを大幅に削減しました。このプログラムでは、単一チップで年間75,000ドル、無制限チップで200,000ドルを支払うだけで、設計がテープアウトされるまで完全なライセンス契約は不要です。

この柔軟な価格戦略は開発者の財務障壁を下げ、RISC-VへのArmの競争的対応を示しています。

Armはより深い協調を促進するため企業文化も再構築しています。例えば、オープンソースMbed OSのガバナンスをシリコンパートナー——Analog Devices、Cypress、Maxim Integrated、Nuvoton、NXP、Renesas、Realtek、Samsung、Silicon Labs、u-blox——に開放し、将来のロードマップ決定に影響を与えられるようにしました。

ArmのIPはすでに1500億チップに搭載されており、同社はこの数が今後2年で倍増すると予測しています。これはグローバル半導体エコシステムにおけるArmの重要な役割を裏付けています。