今天（10月9日）凌晨，在美國加利福尼亞州圣何塞舉行的ARM TechCon 2019會議上，ARM首次宣布將在部分ARMv8 Cortex-M系列CPU內核當中引入自定義指令功能，即客戶能夠編寫自己的定制指令來加速其特定用例、嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應用程序。

引入自定義指令功能

眾所周知，目前ARM陣營的芯片設計廠商僅有少數(shù)芯片設計廠商有購買ARMv8指令集授權來自行設計CPU內核，比如蘋果的A系列處理器的CPU、華為的鯤鵬系列處理器的CPU等。

但是，絕大多數(shù)的芯片設計廠商都是采用的ARM已經(jīng)設計完成的內核IP，即外界常說的公版內核，各項性能指標都是已經(jīng)完全定型了的。

那么在已經(jīng)定型了的CPU內核的基礎上做加速，只能是依靠提升制程工藝來進一步允許主頻的提升，或者是依靠處理器當中的其他內核，比如GPU、DSP、NPU等，但他們都是依靠總線來與CPU并行連接和交換數(shù)據(jù)的。

以CPU和GPU為例，它們之間通過系統(tǒng)總線交換數(shù)據(jù)的步驟如下：

“第一步：CPU從文件系統(tǒng)里讀出原始數(shù)據(jù)，分離出圖形數(shù)據(jù)，然后放在系統(tǒng)內存中，這個時候GPU在發(fā)呆。

第二步：CPU準備把圖形數(shù)據(jù)交給GPU，這時系統(tǒng)總線上開始忙了，數(shù)據(jù)將從系統(tǒng)內存拷貝到GPU的顯存里。

第三步：CPU要求GPU開始數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)在換CPU發(fā)呆了，而GPU開始忙碌工作。當然CPU還是會定期詢問一下GPU忙得怎么樣了。

第四步：GPU開始用自己的工作間（GPU核心電路）處理數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)還是放在顯存里面，CPU還在繼續(xù)發(fā)呆。

第五步：圖形數(shù)據(jù)處理完成后，GPU告訴CPU，我忙完了，準備輸出或者已經(jīng)輸出。于是CPU開始接手，讀出下一段數(shù)據(jù)，并告訴GPU可以歇會了，然后返回第一步?！?/p>

可以看到，其他內核通過內存映射與CPU進行數(shù)據(jù)交換，都會遇到一個問題，那就是處理器的加速始終是受到總線速度的影響，并且會出現(xiàn)一定的延遲。

當然，芯片設計廠商也可以選擇直接連接到CPU的協(xié)處理器的解決方案，但是畢竟是兩個獨立的模塊，數(shù)據(jù)交換也存在著延遲。

而ARM在CPU內核當中引入自定義指令功能，則意味著，芯片設計廠商可以創(chuàng)建自己的加速算法，然后直接在CPU上運行，不需要像內存映射解決方案那樣，需要通過總線來并行運行，所以可以在一定程度上進行加速，并進一步降低延遲。

ARM表示，ARM自定義指令是采用安全的ARM TrustZone技術的ARMv8-M架構演變的一部分，將成為ARM芯片合作伙伴創(chuàng)新的基礎。通過將他們獨特的用于特定應用的加速算法添加到Cortex-M33等CPU中，將使得芯片設計人員有機會進一步提高性能和效率。

“自定義指令功能是一種可以增加加速度的方法，雖然還沒有深入到CPU更核心的部分，但是為‘我們的客戶’提供了更高的靈活性，客戶可以編寫自己的指令，定義自己的指令，并由CPU來執(zhí)行這些指令?！盇RM汽車和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務高級總監(jiān)Thomas Ensergueix說到。

此外，Thomas Ensergueix還指出，隨著連接設備越來越多，更多ARM的客戶將希望針對其非常特定的用例優(yōu)化其處理器，通過創(chuàng)建自定義指令將可幫助他們更容易的實現(xiàn)性能和效率的提升，同時使得這些設備獲得更長的續(xù)航。

ARM還表示，自定義指令的加入，為處理器保留了編碼空間，以便設計人員可以輕松添加自定義數(shù)據(jù)路徑擴展，可以針對特定應用領域的計算做出優(yōu)化。

同時還可保持現(xiàn)有軟件生態(tài)系統(tǒng)的完整性。此功能與現(xiàn)有的協(xié)處理器接口一起使Cortex-M33 CPU可以使用針對機器學習（ML）和人工智能（AI）等邊緣計算用例進行了優(yōu)化的各種類型的加速器進行擴展。

正如ARM所言，自定義指令的加入，為集成客戶工作負載加速提供了最低成本和低風險的途徑，因為現(xiàn)有CPU功能沒有大的改變，并且仍允許其客戶使用他們已經(jīng)使用的現(xiàn)有標準工具。

ARM首席執(zhí)行官Simon Segars也表示：“添加此功能后，我們也對如何支持工具流程進行了很多思考?！薄斑@將使所有人都能更快地行動起來?！?/p>

而為了推動客戶采用新的設計，ARM表示，從2020年開始，使用Cortex-M33內核及之后的Cortex-M CPU內核系列的所有客戶都可以免費使用自定義指令功能。

客戶紛紛表態(tài)認可

目前，ARM已經(jīng)與多家合作伙伴開始了基于支持自定義指令的處理器的研發(fā)，其中就包括IAR Systems，NXP，Silicon Labs和STMicroelectronics。

IAR Systems總裁兼首席執(zhí)行官Stefan Skarin表示：“ SoC供應商通常需要優(yōu)化的工具來擴展其設計功能，而又不影響安全性，安全性或現(xiàn)有的開發(fā)工具投資（例如IAR Embedded Workbench）。” “自定義指令為他們提供了一種簡單但功能強大的機制，可滿足他們的獨特要求，同時保持已存在流程的完整性和效率?！?/p>

恩智浦的Geoff Lees，SVP和GM表示：“ ARM的自定義指令功能使像恩智浦這樣的芯片供應商能夠為客戶提供針對特定應用的指令優(yōu)化，以提高性能，降低功耗和靜態(tài)代碼大小，以適應新興的嵌入式應用?！薄按送?，所有這些改進都在廣泛的Cortex-M生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)，因此客戶的現(xiàn)有軟件投資得以最大化。”

為什么是Cortex-M系列？

前面我們有提到，自定義指令的優(yōu)勢主要是，芯片設計廠商可創(chuàng)建自己的加速算法，直接在CPU上運行，不需要像內存映射解決方案那樣，需要通過總線來并行運行，所以可以在一定程度上進行加速，并進一步降低延遲。

那么為何ARM率先將自定義指令引入到Cortex-M33及后續(xù)Cortex-M系列CPU內核當中，而并沒有將其引入到Cortex-A系列內核當中呢？

我們都知道ARM Cortex-M系列CPU內核主要應用于對性能要求相對較低、對于功耗和成本要求較高的應用領域，目前在物聯(lián)網(wǎng)領域應用非常的廣泛。

Cortex-A系列內核雖然功耗較高，但是性能也較高，目前手機、平板等對于性能要求較高的處理器，大都是基于ARM Cortex-A系列CPU內核（數(shù)據(jù)顯示，全世界超過95%的智能手機和平板電腦都是基于ARM架構的CPU內核），并且同時還會集成GPU、DSP內核，甚至NPU等專用AI內核。因為，相對于圖形及AI計算來說，CPU并不是最佳的載體。而在CPU當中加入自定義指令所帶來的性能的提升，相比加入GPU/DSP/NPU等內核所帶來的性能提升要小很多，雖然后者的功耗和成本也大幅提升了，但并不像大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備那么敏感。

所以，我們不難看出，在CPU當中加入自定義指令功能，對于Cortex-M系列CPU內核所對應的物聯(lián)網(wǎng)應用領域幫助更大。因為大多數(shù)的微控制當中可能只有Cortex-M系列CPU內核。

這也意味著，CPU自定義指令功能的加入，可以在無需增加其他的內核，不增加成本和功耗的前提下，幫助客戶實現(xiàn)性能的提升（主要是AI性能）。

雖然目前不少的MCU在采用Cortex-M內核的同時，也開始加入了2D的GPU處理單元、DSP內核等，來提升性能，但同時也帶來了成本和功耗的大幅提升。而CPU自定義指令的功能的加入，則可以在成本和功耗不變的基礎上，進一步提升性能。

如果在CPU當中加入自定義指令的功能，所帶來的性能的提升，即可滿足客戶的需求，那么則意味著客戶無需再去集成其他的內核，成本和功耗將進一步得到降低。

當然，如果Cortex-A系列處理器如果也能夠引入自定義指令功能，那么也將是一個很好的助力，不過考慮到ARM Cortex-A系列在手機市場的強勢地位，以及ARMv8指令集授權的存在，再加上ARM也將推自己的AI IP內核，這一塊可能沒那么容易。

此舉是為應對RISC-V的挑戰(zhàn)？

對于ARM來說，受益于其在移動互聯(lián)網(wǎng)時代所采取的IP授權的模式以及與開放的安卓系統(tǒng)的結合，ARM架構的處理器已經(jīng)成為了以智能手機為代表的移動互聯(lián)網(wǎng)設備的標配。經(jīng)過多年的發(fā)展，ARM在移動互聯(lián)網(wǎng)領域的生態(tài)早已是根深蒂固。

但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，由于物聯(lián)網(wǎng)設備品類繁多、應用廣泛，市場非常的碎片化，而且很多物聯(lián)網(wǎng)設備本身即是“操作系統(tǒng)”，即是“應用”，原本在移動互聯(lián)網(wǎng)設備上極為重要的操作系統(tǒng)、APP，到物聯(lián)網(wǎng)設備上已變得不再重要。而這也直接導致了物聯(lián)網(wǎng)處理器芯片的架構出現(xiàn)了百花齊放的局面。ARM固有的強大的生態(tài)優(yōu)勢放在物聯(lián)網(wǎng)市場也不再是不可動搖。

特別是近兩年來，RISC-V架構的興起，在物聯(lián)網(wǎng)市場對于ARM發(fā)起了強有力的挑戰(zhàn)。

因為RISC-V架構是一種開源的處理器架構，因此芯片設計廠商可以免費使用RISC-V架構，不需要像使用ARM的處理器IP那樣，需要一筆不菲的授權費。而且，傳統(tǒng)的ARM處理器IP通常是不允許做擴展的，但是RISC-V則可以方便的進行擴展。

這種可擴展可定制化的特點對于場景驅動、性能功耗需求各不相同的AIoT芯片特別重要。顯然，對于物聯(lián)網(wǎng)芯片設計廠商來說，使用RISC-V架構來做AIoT芯片，不僅可以更加的自主可控，還能夠更加的靈活，成本也將更低。

由于開源、免費、精簡、模塊化及可擴展等優(yōu)點，RISC-V架構受到了全球眾多芯片設計廠商的關注，特別是在國內市場，在“自主可控”、“國產(chǎn)替代”趨勢之下，RISC-V更是備受追捧。

目前國內的平頭哥、兆易創(chuàng)新、華米、樂鑫、芯來、格蘭仕等眾多廠商都有推出基于RISC-V架構的芯片，此外華為也在積極的研發(fā)基于RISC-V架構的芯片。

根據(jù)市場研究機構IP Nest此前發(fā)布的IP市場分析報告顯示，2018年全球最大的IP提供商ARM的營收出現(xiàn)了3%的下滑（2017年下滑了6.8%)。IP Nest認為其中一個主要原因應該是來自于開源的RISC-V架構的沖擊。

不過，需要指出的是，雖然RISC-V來勢洶洶，但是其在高性能這塊與ARM的Cortex-A系列內核仍有較大差距，其優(yōu)勢更多還是在于免費、低功耗、易擴展等，這也使得目前RISC-V的應用生態(tài)主要集中在物聯(lián)網(wǎng)領域。對于ARM的威脅也主要是在物聯(lián)網(wǎng)市場。

對此，ARM也針對性的采取了一些措施。

今年7月，ARM調整了芯片設計授權費的收費模式，推出了全新的ARM Flexible Access業(yè)務模式。通過ARM Flexible Access模式，如果芯片制造商使用ARM的一種設計方案投產(chǎn)芯片，那么他們每年需要支付7.5萬美元的費用；如果他們每年支付20萬美元，那么就可以獲得不限數(shù)量的芯片設計方案。只有在芯片開始生產(chǎn)時，他們才需要支付授權費和專利費。

不過，需要指出的是，在這個IP包當中，CPU IP只包含了Cortex-A53/A35/A34/A32/A7/A5，Cortex-R52/R8/R5，Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/M23/M33等。

可以看到，高性能的Cortex-A系列處理器并未包含在其中，包括在其中的Cortex-A53/A35/A34/A32/A7/A5均可適用于物聯(lián)網(wǎng)市場。而主要針對于物聯(lián)網(wǎng)市場的Cortex-M系列IP基本都囊括在其中。

顯然，ARM的“下調IP授權費”之舉主要針對的正是物聯(lián)網(wǎng)市場，主要應對的也正是免費開源的RISC-V架構在物聯(lián)網(wǎng)市場對于ARM的沖擊，提升自身產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)市場的競爭力。

同樣，筆者也認為，ARM將自定義指令功能引入Cortex-M33及后續(xù)Cortex-M系列CPU內核當中，也正是應對RISC-V架構在物聯(lián)網(wǎng)市場對于ARM的沖擊，彌補自身CPU內核在可擴展性上的劣勢，以適應物聯(lián)網(wǎng)市場對于AIoT的需求。

國外Insight64的分析師Nathan Brookwood也表示，自定義指令似乎是對RISC-V的一種競爭性回應，RISC-V也允許在其架構中使用定制指令。這次ARM在客戶的壓力下提供了類似的功能。

Moor Insights＆Strategy分析師Patrick Moorhead也在一封電子郵件中也表示：RISC-V的可擴展性是非常有吸引力的。現(xiàn)在，ARM已在最需要的領域（如物聯(lián)網(wǎng)和較低級別的控制器）中添加了這些功能。并且可以在同一工具鏈中使用，這是一個很大的好處。”

另外值得一提的是，ARM今天還宣布將為Mbed OS建立一種治理模型。Mbed OS是用于運行ARM Cortex-M芯片的嵌入式設備的開源操作系統(tǒng)。Mbed OS一直是開源的，但是Mbed OS合作伙伴治理模型將使ARM的Mbed硅合作伙伴在如何通過每月產(chǎn)品工作組會議等工具開發(fā)OS方面擁有更多發(fā)言權。諸如Analog Devices，Cypress，Nuvoton，NXP，Renesas，Realtek，Samsung和u-blox之類的合作伙伴已經(jīng)參加了該小組。

顯然，為了爭奪物聯(lián)網(wǎng)市場，ARM正在全方位的提升產(chǎn)品競爭力，同時加速生態(tài)布局，以回擊RISC-V的挑戰(zhàn)。