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澳门银河官网7163,为应对RISC-V挑战?Arm CPU引入自定义指令功能

2020-01-09 08:24:25 来源:垌心网 浏览:3555

澳门银河官网7163,为应对RISC-V挑战?Arm CPU引入自定义指令功能

澳门银河官网7163,在今天(10月9日)凌晨在美国加利福尼亚州圣何塞举行的arm techcon 2019大会上,arm首次宣布将在一些armv8 cortex-m系列cpu内核中引入定制指令功能,即客户可以编写自己的定制指令来加速他们的特定用例、嵌入式和物联网应用。

引入自定义指令功能

众所周知,目前arm阵营中只有少数芯片设计师有权购买armv8指令集来设计自己的cpu内核,比如苹果的A系列处理器的cpu和华为的鲲鹏系列处理器的cpu。然而,绝大多数芯片设计者使用arm设计的核心ip,即外界普遍使用的核心的通用版本,所有的性能指标都已经完全敲定。

然后在已经完成的cpu内核的基础上加速,我们只能依靠升级过程来进一步允许主频的增加,或者依靠处理器中的其他内核,如gpu、dsp、npu等。,但它们都依赖总线与cpu并行连接和交换数据。

以cpu和gpu为例,它们之间通过系统总线交换数据的步骤如下:

可以看出,当其他内核通过内存映射与cpu交换数据时,会遇到一个问题,即处理器的加速总是受到总线速度的影响,并且会有一定的延迟。

当然,芯片设计者也可以选择直接连接cpu的协处理器解决方案,但毕竟是两个独立的模块,而且数据交换也有延迟。

然而,arm将定制指令功能引入cpu内核意味着芯片设计者可以创建自己的加速算法,然后直接在cpu上运行。它不需要像内存映射解决方案那样通过总线并行运行,因此可以在一定程度上加速并进一步减少延迟。

Arm表示,arm定制指令是armv8-m架构使用安全arm信任区技术演进的一部分,将成为arm芯片合作伙伴创新的基础。通过将针对特定应用的独特加速算法添加到cortex-m33等cpu中,芯片设计者将有机会进一步提高性能和效率。

“自定义指令功能是一种增加加速度的方法。虽然它还没有渗透到cpu的核心,但它为“我们的客户”提供了更高的灵活性。客户可以编写自己的指令,定义自己的指令,cpu将执行这些指令。arm汽车和物联网高级总监托马斯·恩塞尔盖克斯(Thomas ensergueix)表示。

此外,thomas ensergueix还指出,随着越来越多的互联设备的出现,越来越多的arm客户将希望针对其特定的使用情形优化处理器。创建自定义说明将帮助他们更容易实现性能和效率的提高,同时使这些设备获得更长的耐用性。

Arm还表示,自定义指令的添加为处理器预留了编码空间,因此设计人员可以轻松添加自定义数据路径扩展,并可以优化特定应用领域的计算。同时,可以保持现有软件生态系统的完整性。该功能与现有协处理器接口一起,使cortex-m33 cpu能够通过针对边缘计算用例(如机器学习(M1)和人工智能(ai))优化的各种加速器进行扩展。

正如arm所说,添加定制指令提供了集成客户工作负载加速的最低成本和低风险的方法,因为现有的cpu功能没有太大变化,仍然允许他们的客户使用他们已经使用过的现有标准工具。

arm首席执行官西蒙塞格斯(Simon segars)也表示:“在添加了这个特性后,我们也在思考如何支持工具流程。”"这将使每个人移动得更快。"

为了推动客户采用新设计,arm表示,从2020年开始,所有使用cortex-m33内核和cortex-m cpu内核系列的客户此后都可以免费使用定制指令功能。

顾客已经表示同意

目前,arm已经开始与包括iar系统、恩智浦、硅实验室和意法半导体在内的多个合作伙伴合作,在支持定制指令的基础上研发处理器。

iar系统总裁兼首席执行官Stefan skarin表示:“soc供应商通常需要优化的工具来扩展其设计功能,而不会影响安全性、安全性或现有开发工具投资(如iar嵌入式工作台)。“定制指令为他们提供了一个简单而强大的机制,以满足他们独特的需求,同时保持现有流程的完整性和效率。”

恩智浦的geoff lees、svp和gm表示:“arm的定制指令功能使恩智浦等芯片供应商能够为客户提供特定应用的指令优化,以提高性能、降低功耗和静态代码大小,从而适应新兴嵌入式应用。”“此外,所有这些改进都在广泛的cortex-m生态系统中实施,因此客户现有的软件投资最大化。"

为什么是cortex-m系列?

如前所述,定制指令的优势在于芯片设计人员可以创建自己的加速算法,并直接在cpu上运行,而不是像内存映射解决方案那样通过总线并行运行,因此它们可以在一定程度上加速并进一步降低延迟。

那么为什么arm首先将定制指令引入cortex-m33和随后的cortex-m系列cpu内核,而不是cortex-a系列内核?

众所周知,arm cortex-m系列cpu内核主要用于性能要求相对较低、功耗和成本要求较高的应用领域。目前,它们被广泛用于物联网。虽然cortex-一系列内核具有高功耗,但它们也具有高性能。目前,手机和平板电脑等大多数高性能要求的处理器都是基于arm cortex——一系列cpu内核(数据显示,全球95%以上的智能手机和平板电脑都是基于arm架构cpu内核),同时集成了gpu、dsp内核甚至npu等特殊ai内核。因为,与图形和人工智能计算相比,cpu不是最好的载体。向cpu添加定制指令带来的性能提升远小于添加gpu/dsp/npu等内核带来的性能提升。尽管后者的功耗和成本也大大增加,但它并不像大多数物联网设备那样敏感。

因此,不难看出,在cpu中增加定制指令功能对cortex-m系列cpu内核对应的物联网应用领域更有帮助。因为大多数微控制器可能只有cortex-m系列cpu内核。这也意味着cpu定制指令功能的增加可以帮助客户在不增加其他内核、不增加成本和功耗的情况下实现性能提升(主要是ai性能)。

虽然许多单片机在采用cortex-m内核的同时,已经开始增加2d gpu处理单元和dsp内核来提高性能,但这也带来了成本和功耗的显著增加。然而,cpu定制指令功能的增加可以在不改变成本和功耗的基础上进一步提高性能。

如果将定制指令的功能添加到cpu中,所带来的性能提升可以满足客户的需求,这意味着客户不需要集成其他内核,成本和功耗将进一步降低。

当然,如果cortex-a系列处理器还能引入定制指令功能,那将是一个很好的帮助,但是考虑到arm cortex-a系列在手机市场的强势地位,armv8指令集授权的存在,以及arm也将推出自己的ai ip内核这一事实,这一块可能就不那么容易了。

这是为了迎接risc-v的挑战吗?

对于arm来说,由于其在移动互联网时代采用的ip授权模式及其与开放安卓系统的结合,基于arm的处理器已经成为以智能手机为代表的移动互联网设备的标准。经过多年的发展,arm在移动互联网领域的生态早已根深蒂固。

然而,随着物联网时代的到来,由于物联网设备的多样性和广泛应用,市场非常分散,许多物联网设备本身就是“操作系统”或“应用程序”。最初在移动互联网设备中极其重要的操作系统和应用程序,在物联网设备中已经不再重要。然而,这直接导致了物联网中处理器芯片架构的蓬勃发展。Arm在物联网市场中固有的强大生态优势不再不可动摇。

特别是在过去的两年里,risc-v架构的兴起给物联网市场带来了巨大的挑战。

因为risc-v架构是开源处理器架构,芯片设计者可以免费使用risc-v架构,而不需要像arm处理器ip那样昂贵的许可费。此外,传统的arm处理器ip通常不允许扩展,但risc-v可以轻松扩展。对于具有不同场景驱动程序、性能和功耗要求的aiot芯片,这种可扩展和可定制的特性尤为重要。显然,对于物联网芯片设计者来说,使用risc-v架构来制作aiot芯片不仅可以更加自主和可控,而且更加灵活,成本更低。

risc-v架构由于其开源、免费、紧凑、模块化和可扩展的优势,吸引了世界各地,尤其是国内市场许多芯片设计者的注意。在“自我控制”和“家庭替代”的趋势下,risc-v更受欢迎。

目前,盘头、赵毅创新、华米、乐心、莱辛、格兰仕等国内许多厂商都推出了risc-v架构芯片。此外,华为还积极研发基于risc-v架构的芯片。

根据市场研究机构ip nest此前发布的ip市场分析报告,全球最大的ip提供商arm在2018年的收入下降了3%(2017年下降了6.8%)。Ip nest认为主要原因之一应该是来自开源risc-v架构的影响。

然而,应该指出的是,尽管risc-v具有威胁性,但risc-v与arm的皮质(一个高性能的系列核心)之间仍有很大差距。它的优势仍然在于免费、低功耗和易于扩展,这也使得目前RISC-V的应用生态主要集中在物联网上。对武器的威胁也主要在物联网市场。

对此,arm也采取了一些有针对性的措施。

今年7月,arm调整了芯片设计许可费的收费模式,推出了新的arm灵活接入业务模式。通过arm灵活接入模式,如果芯片制造商使用arm的设计方案将芯片投入生产,他们将不得不每年支付75,000美元。如果他们一年支付20万美元,他们可以获得无限的芯片设计。只有当芯片开始生产时,他们才需要支付许可费和版税。

但是,应该指出,在这个ip包中,cpu ip仅包括cortex-a53/a35/a34/a32/a7/a5、cortex-r52/r8/r5、cortex-m0/m0 /m3/m4/m7/m23/m33等。

可以看出,其中不包含高性能的cortex-a系列处理器,其中包含的cortex-a53/a35/a34/a32/a7/a5可以应用于物联网市场。主要针对物联网市场的cortex-m系列ip基本包含在内。

显然,arm转向“更低的ip许可费”主要是针对物联网市场,也是自由开源risc-v架构对arm在物联网市场上提升自身产品在物联网市场竞争力的影响。

同样,作者也认为arm将定制指令功能引入cortex-m33及后续cortex-m系列cpu内核正是为了应对物联网市场中risc-v架构对arm的影响,弥补其自身cpu内核在可扩展性上的不足,从而满足物联网市场中aiot的需求。

insight64海外分析师内森布鲁克伍德(Nathan brookwood)也表示,定制指令似乎是对risc-v的竞争性回应,RISC-v也允许定制指令在其架构中使用。这一次arm在客户的压力下提供了类似的功能。

Moor insights&strategy分析师帕特里克摩尔海德(patrick moorhead)也在一封电子邮件中表示,risc-v的可扩展性非常有吸引力。现在,arm已经在最需要的领域增加了这些功能,比如物联网和低级控制器。并且可以在同一工具链中使用,这是一个很大的优势。"

还值得一提的是,arm今天宣布将为嵌入式操作系统建立一个治理模型。Mbeos是运行arm cortex-m芯片的嵌入式设备的开源操作系统。MBEos一直是开源的,但是MBEOS合作伙伴治理模式将给予arm的MBEOS硅合作伙伴更多的发言权,让他们可以通过每月产品工作组会议等工具开发操作系统。ADI公司、赛普拉斯、努沃顿、恩智浦、瑞萨、realtek、三星和u-blox等合作伙伴已加入该集团。

显然,为了争夺物联网市场,arm正在全方位提升产品竞争力,加快生态布局,以应对risc-v挑战。

编者:辛志勋-浪客健

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