Arm：自定義指令集的靈活性與生態(tài)一致性可以兼得

除了指令空間，自定義指令對(duì)應(yīng)的程序出入口也有嚴(yán)格限制。自定義指令在使用過程中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤時(shí)，Arm的工具鏈都能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、提取，并且進(jìn)行相應(yīng)的控制。目前也已經(jīng)有第三方編譯器，可以識(shí)別自定義指令集可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。專用與通用，或可定制與標(biāo)準(zhǔn)化之間孰優(yōu)孰劣，并無定論，行業(yè)發(fā)展的總體趨勢(shì)就是在兩個(gè)方向上左右搖擺。一種新型產(chǎn)品在誕生之初，往往是定制化專用應(yīng)用，以滿足新應(yīng)用對(duì)性能、功耗與成本的特殊要求，當(dāng)該應(yīng)用逐漸被用戶接受，成為主流時(shí)，就會(huì)走向標(biāo)準(zhǔn)化，成為通用的產(chǎn)品或功能，當(dāng)這種通用產(chǎn)品逐漸跟不上時(shí)代發(fā)展時(shí)，則為新的專用產(chǎn)品誕生孕育了機(jī)會(huì)。

以處理器為例，在PC端與手機(jī)端的市場(chǎng)格局已基本固化，所以這兩個(gè)市場(chǎng)均由通用型處理器主導(dǎo)，而近年來的一些新興應(yīng)用涌現(xiàn)，也促使廠商推出相應(yīng)的處理器來應(yīng)對(duì)，例如為人工智能應(yīng)用優(yōu)化的NPU，為顯示優(yōu)化的DPU，以及音頻專用處理器APU等。

近日，Arm公司就宣布推出兩款機(jī)器學(xué)習(xí)處理器Ethos-N57 與 Ethos-N37 NPU，一款為入門設(shè)備與小型顯示屏幕適配的顯示處理器Mali D37 DPU，以及一款更新的圖像處理器Mali-G57 GPU。

Arm市場(chǎng)營銷副總裁 Ian Smythe表示，針對(duì)不同應(yīng)用及工作負(fù)載差異，用戶可以選擇不同的CPU、GPU、NPU等處理器組合來滿足需求，組合不同，在不同應(yīng)用場(chǎng)景與任務(wù)模式下的性能與能效會(huì)有較大的差異，用戶在深度理解Arm不同內(nèi)核特性的基礎(chǔ)上靈活配置，就能實(shí)現(xiàn)最佳性能、功耗與成本均衡。

Ian Smythe在2019Arm科技論壇上海站演講

如果上述處理器組合仍然不能滿足應(yīng)用定制化需求，Arm還提供了自定義指令集，以滿足用戶對(duì)具體應(yīng)用的極致優(yōu)化需求。Arm自定義指令集于10月9日2019Arm科技論壇美國圣何塞站上首次對(duì)外公布，在2019Arm科技論壇上海站，Ian Smythe接受探索科技（techsugar）采訪，詳細(xì)解讀了用戶關(guān)心的Arm自定義指令集狀況。

免費(fèi)

Ian Smythe指出，Arm用戶采用自定義指令集并不需要額外付費(fèi)。Arm會(huì)首先在Arm Cortex-M33上支持自定義指令集，凡是購買了Arm Cortex-M33內(nèi)核IP授權(quán)的用戶，都可以申請(qǐng)自定義指令集開發(fā)。目前已經(jīng)有意法半導(dǎo)體、恩智浦與Silicon Labs等公司在開發(fā)采用自定義指令集的Arm處理器，首批支持自定義指令集的Arm處理器將于2020年問世。后續(xù)Arm還會(huì)在所有Armv8-M處理器上開放自定義指令集，用戶同樣不需要為自定義指令集額外付費(fèi)。

用戶自行開發(fā)、驗(yàn)證，無須提交Arm認(rèn)證

Arm并不會(huì)去對(duì)客戶自定義的指令進(jìn)行復(fù)核，指令的完整性由Arm工具鏈與開發(fā)該指令的客戶來保證。Ian Smythe表示，客戶在使用自定義指令集的時(shí)候，必須要負(fù)責(zé)對(duì)其所有相關(guān)硬件進(jìn)行完整的驗(yàn)證工作，無須將指令集提交給Arm認(rèn)證?！癆rm的工作就是向客戶提供開發(fā)自定義指令集所需支持的邏輯以及專門的架構(gòu)，以幫助客戶更加順利地完成自定義指令的集成過程。具體的實(shí)現(xiàn)工作由客戶自己來完成，自定義指令集在應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)也是客戶自己承擔(dān)?！?

限定的指令空間與自定義指令程序出入口

如此看來，在帶來效率提升的同時(shí)，自定義指令也會(huì)帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)或額外的成本。例如，可能需要增加額外的邏輯電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指令，這將增加開發(fā)成本；此外，由于指令集不同，可能會(huì)影響到現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)，軟件需要從底到頂全部重新設(shè)計(jì)；還有，編譯器以及后續(xù)的軟件開發(fā)工具如果不支持用戶自定義指令，可能還需要更改開發(fā)工具以支持自定義指令集。

Arm的處理方式是將自定義指令集限制在一定范圍內(nèi)?！癆rm的自定義指令集將客戶限制在一定的空間之內(nèi)進(jìn)行開發(fā)，我們提供的是T32這個(gè)指令集架構(gòu)，在T32基礎(chǔ)之上，客戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行指令集的定制。我們希望客戶在使用Arm自定義指令集的時(shí)候，能夠保證其產(chǎn)品的穩(wěn)定性，同時(shí)也并不會(huì)因?yàn)樽远x指令集的開發(fā)，而影響ArmCPU的完整性和可控性?！盜an Smythe告訴探索科技（techsugar），除了指令空間，自定義指令對(duì)應(yīng)的程序出入口也有嚴(yán)格限制。自定義指令在使用過程中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤時(shí)，Arm的工具鏈都能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、提取，并且進(jìn)行相應(yīng)的控制。目前也已經(jīng)有第三方編譯器，可以識(shí)別自定義指令集可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

這樣嚴(yán)格的限定，在發(fā)揮自定義指令靈活性的同時(shí)，最大程度上保證了Arm生態(tài)的一致性。使用支持Arm自定義指令集芯片的用戶，并不需要更換工具鏈，或大幅修改軟件設(shè)計(jì)，為用戶節(jié)約了大量的再開發(fā)成本。

如前所述，芯片行業(yè)始終為之奮斗的目標(biāo)，就是在性能、功耗與成本之間達(dá)到完美均衡。完全自定義可實(shí)現(xiàn)最佳性能，但通常帶來不可承受的開發(fā)與應(yīng)用成本；完全標(biāo)準(zhǔn)化可以用最短時(shí)間與最小成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，但只能是同質(zhì)化性能平庸的產(chǎn)品。Arm推出自定義指令集，為開發(fā)者帶來了增加產(chǎn)品差異性的可能，或也帶來了選擇的煩惱。