Arm开放指令集，对今后的IoT发展意味着什么？

翻译自——staceyoniot及新闻稿件

据悉，Arm首席执行官Simon Segars在Arm® TechCon 2019大会中宣布推出Arm Custom Instructions，这是针对Armv8-M架构新增的功能。2020年上半年开始，Arm Custom Instructions初期将在Arm Cortex®-M33 CPU上实施，并且不会对新的或既有授权厂商收取额外费用，同时让SoC设计人员在没有软件碎片化风险下，得以针对特定嵌入式与IoT应用加入自己的指令。

Arm资深副总裁暨车用与物联网事业部总经理Dipti Vachani表示：“一个拥有一兆个安全智能设备的世界，将建立在复杂应用场景的多元性上，同时需要增强硬件与软件设计之间的协同综效。”她指出：“我们已经开发出Arm Custom Instructions以带动硬件与软件更密切的共同设计努力，以便实现特定应用的加速，同时开启更大的设备差异化。”

CPU：供Arm半导体合作伙伴进行创新的框架

不断演进的Armv8-M架构配置了Arm TrustZone™安全技术，作为其一部分，Arm Custom Instructions基于一个简单的指导原则：CPU是供Arm半导体合作伙伴进行创新的框架。这一理念让芯片设计人员藉由把其独特的特定应用功能加入Cortex-M33 CPU中，有机会将性能与效率进一步向上推进。

Arm Custom Instructions通过对CPU进行修改、保留编码空间得以实现，帮助设计人员轻易增加客制化数据路径扩展，同时保有既有软件生态系统的完整性。这个功能加上既有的协处理器接口，可以让Cortex-M33 CPU利用针对机器学习(ML)与人工智能(AI)等边缘计算应用场景优化的各类型加速器进行扩展。

Arm资深副总裁暨车用与物联网事业部总经理Dipti Vachani表示：“一个拥有一兆个安全智能设备的世界，将建立在复杂应用场景的多元性上，同时需要增强硬件与软件设计之间的协同综效。”她指出：“我们已经开发出Arm Custom Instructions以带动硬件与软件更密切的共同设计努力，以便实现特定应用的加速，同时开启更大的设备差异化。”

指令集是Arm的核心知识产权，也是它从高通(Qualcomm)、NXP，甚至苹果和谷歌等众多科技巨头获得的收入来源。他们使用这种架构来为自己的芯片授权。

说到指令集，先简单科普一下。

指令集(ISA)是硅架构的最低层次，它告诉计算机程序员如何处理芯片上的数据流和状态。如今，Arm对其进行了优化，以实现更高的能源效率。这会帮助它在移动电话和作为物联网底层芯片架构方面取得了更成层的进展。

随着芯片架构和工艺的不断进步，将会促使Arm指令集的不断修改。

芯片世界正在发生着两大转变;需要芯片的设备数量正在增加，它们所做的工作类型被分割成大量的工作负载。这些工作负载的范围可能从降低温度一直到运行计算机视觉的机器学习模型。

整个芯片行业都在对这些趋势做出反应。英特尔，x86架构的创造者，正在倡导着其他指令集和可编程芯片。lcomm、NXP和其他传统Arm的客户正在进行整合。英伟达(Nvidia)和西部数据(Western Digital)为专用内部处理器设计了自己的ISA，他们是RISC-V开源指令集的坚决拥护者，这种指令集使它们能够定制芯片，以满足高度个性化的需求。

总的来说，这一趋势的核心是针对更多处理能力需求的产生，同时更加强调了能源效率。机器学习需要大量的计算能力，而许多新的芯片家庭是电池供电的。为了提高效率，芯片公司已经采取了各种设计调整，比如分配一个协同处理器来执行一个专门的功能，比如去执行动作检测或唤醒词检测。再例如，苹果公司在Apple Watch中使用了一种协同处理器来进行动作检测，这使得Apple Watch无需使用相对耗电的主处理器就能检测到动作。

另一种设计技术是在内存中执行处理，以加快计算速度并提高性能。这在设计用于执行机器学习任务的芯片中变得越来越普遍。但内存处理需要专门设计的芯片，需要定制固件，且只能运行某些软件。构建这样的软件是需要资源的，而且通常会限制这些设备能够运行的应用程序的类型。

Arm的这张幻灯片展示了客户试图为机器学习等工作增加处理器速度和效率的典型方式

Arm开放指令集的决定，有益于使企业能够利用Arm庞大的软件支持网络，同时也将专用的数学运算嵌入到特定用例的指令集中。Silicon Labs的首席技术官Alessandro Pi0vaccari表示，这种程度的软件支持非常重要，Silicon Labs设计出了若干种定制化的方法。

NXP的技术研究员、首席MCU核心平台和安全架构师Joe Cirello说到:“一般情况下，优化通用ISA可以获得更好的性能和更强的能力，但现在出现了一组相对较新的应用程序，它们可能与过去一些比较传统的MCU应用程序有不同的要求。”他说，特别是物联网节点和边缘计算设备需要更高的安全性或机器学习性能，而定制的ISA可以使这些性能受益。

这意味着NXP可以开发出一种全新的芯片，它不仅可以作为处理器的一部分，专门用于检测唤醒词，而且还可以运行流行的应用程序。几年来，客户一直在推动Arm让他们定制ISA，在不断变化的环境和RISC-V兴起的压力下，确实如此。

虽然没有提到RISC-V，但它显然是最近许多决策的一个考量因素。RISC-V指令集是由伯克利的研究人员开发的，目的是为低功耗计算提供一个开源的架构。RISC-V对于计算机网虫来说是一大福音，但它并没有真正普及开来，直到一家名为SiFive的公司开始构建支持和工具，使用它们来设计RISC-V处理器。

在那之前，芯片设计师构建一个RISC-V处理器，而另一组固件和编译器专家可以构建支持软件，让这些在RISC-V处理器上运行，但这种支持只存在于少数公司。此外，早在2012年，甚至是2015年SiFive刚成立之时，这种相结合的设计是有限的。Nvidia使用RISC-V构建了一个芯片来管理游戏处理器上的GPU核心，但它已经有了一个专门的硬件和软件团队去做这件事。

市场正在改变。2016年，我与一家名为Greenwaves的公司会面，这家公司有几个芯片设计师正在利用RISC-V ISA为物联网设计一种新芯片，并对其进行改造。他们选择这样的架构是因为它是开源的，而且可以节省几百万的Arm授权费用。由于芯片将成为一个子系统的一部分，而不是运行流行应用程序的通用设备，所以缺乏高级软件并不重要。

但英伟达和Greenwaves等举措暴露了Arm业务的弱点。他们必须采取一些措施来满足大客户的需求，并继续吸引那些试图打造下一代硅产品的初创公司。

大约两个月前，Arm表示将向试图研发新型硅材料的初创公司和研究人员提供免费许可证。

他们的目的是想让他们尝试将基于Arm的处理器应用到新的设计中，这些设计可以针对电源管理进行优化，或者对处理能力进行轻微调整。一旦一项设计进入生产阶段，该公司将支付全部的授权费用，但这给了公司在没有如此高的前期成本的情况下进行试验的空间。

今天，随着ISA的开放，Arm为大大小小的客户提供了更多的灵活性。

当然，这也是有限制的。Arm已经打开了微控制器M-33处理器上的指令集，它是用于小型电池驱动设备上的。Arm还生产了一系列a级处理器，用于服务器、手机基站和手机处理器。但a类设计没有获得开放指令集的自由。

出奇的是，Arm不会对ISA的调整能力收取更高的费用。Trias Research的分析师Kevin Krewell表示，进一步开放市场的决定是必要的，这表明软银在2016年收购Arm的举措正在慢慢改变公司的文化。考虑到当今计算机世界的需求，这些变化是必须的，很高兴看到Arm制造了它们。

更强大的生态系统灵活性与差异性

Arm Custom Instructions结合最近推出的Arm Flexible Access，突显出Arm强化其提升半导体合作伙伴灵活性与差异性的承诺，支持它们拥抱ML、AI、自动驾驶、5G与IoT等全新边缘计算的机会。为了进一步强化这个承诺，Custom Instructions 在未来的Arm Cortex-M CPU上，将变成标准功能。Arm Cortex-M CPU是Arm历来最成功的CPU之一，Arm的半导体合作伙伴迄今已经出货超过500亿颗基于Cortex-M的芯片。

合作伙伴引言：

IAR 系统公司总裁兼首席执行官Stefan Skarin表示：“SoC厂商经常需要经过优化的工具以延展他们设计的能力，并且不会在安全性、防护性上打折扣，或危及他们在IAR Embedded Workbench等既有开发工具上的投资。Arm Custom Instructions为他们提供了一个简单却强大的机制，得以应对他们独特的需求，同时保有既有流程的完整性与效率。”

恩智浦半导体微控制器部门资深副总裁兼总经理Geoff Lees表示：“Arm全新的Custom Instructions功能让诸如恩智浦半导体等芯片供应商，得以向其客户提供全新程度的特定应用指令集优化，以便为全新与新兴的嵌入式应用提升性能、功率耗散以及静态代码尺寸。此外，所有的这些改良都可以在广阔的Cortex-M生态系统中达成，让客户得以将他们既有的软件投资最大化。”

Silicon Labs首席技术官Alessandro Piovaccari表示：“在一个拥有一兆个安全联网设备的世界中，由于对功耗效率要求极高的设备愈来愈多，对半导体设计人员提出许多的挑战。在Cortex-M产品组合上推出的ArmCustom Instructions，将让Silicon Labs得以为各式各样的联网设备，设计出针对特定任务进行了特别优化的系统。”

意法半导体微控制器部门总经理Ricardo De Sa Earp表示：“意法半导体基于Arm架构的STM32微控制器，目前已经成为工业、消费与医疗市场数百万个智能对象的核心。针对更高性能、更高功效与安全性持续不断的需求，我们的设计方式需要进化，以便让硬件一开始就与软件一起进行设计。未来的Armv8-M核心有了Arm Custom Instructions后，Arm将让硬件/软件共同设计得以实现。我们的客户利用STM32硬件、软件与工具生态系统设计下一代IoT设备时，意法半导体也将能带来更多的差异性与价值，包括优化的安全性与核心层级的信号处理等功能。”