Arm, Cortex-M 코어에 커스텀 명령어 지원 도입...유연성 확대

캘리포니아 산호세 — Arm TechCon에서 Arm CEO Simon Segars가 랜드마크 발표를 했습니다. Arm이 라이선스 사용자가 Cortex-M 코어 내에 커스텀 명령어를 임베드할 수 있도록 허용한다고 밝힌 것입니다. 이는 역사적으로 엄격했던 명령어 집합 아키텍처(ISA)에서 중요한 변화를 의미합니다.

수십 년간 엄격하게 통제된 ISA를 유지해온 Arm이 자사 아키텍처를 개방하여 사용자가 틈새 워크로드를 가속화하는 특수 명령어를 생성할 수 있게 했습니다.

Tensilica(현 Cadence), ARC(현 Synopsys), 레거시 MIPS ISA 같은 다른 IP 기업들은 오랫동안 사용자 정의 명령어를 제공해왔지만, Arm은 일관된 프로그래밍 모델을 보존하기 위해 이 트렌드를 거부해왔습니다.

오픈소스 RISC-V ISA의 부상과 그 구성 가능성으로 인해 Arm은 마침내 양보했습니다. 이는 고객을 RISC-V로 이끈 두 가지 핵심 우려, 즉 유연성과 비용을 해결하기 위함입니다.

먼저 Cortex-M에서, 그다음 Cortex-R에서 Arm은 커스텀 명령어 지원을 Cortex-M33에 처음으로 제공할 예정입니다. 향후 Cortex-M 코어도 이를 지원할 것입니다.

Arm은 Cortex-M33에 대해 이 기능을 추가 비용 없이 제공할 계획입니다. Arm 펠로우 Peter Greenhalgh에 따르면, 회사는 커스텀 명령어 지원을 Cortex-R 실시간 코어로 확장할 계획이며, 결국 Cortex-A 애플리케이션 프로세서에도 추가할 수 있다고 합니다.

Arm TechCon 2019에서 Arm 펠로우 Peter Greenhalgh (이미지: Kevin Krewell)

Cortex-R의 커스텀 명령어는 컴퓨팅 집약적 또는 데이터 이동 작업을 위한 특수 연산을 임베드하여 실시간 제어 애플리케이션을 크게 가속화할 수 있습니다. 스마트폰과 서버에 사용되는 Cortex-A 코어에 이 기능이 언제 도입될지는 불확실합니다.

Arm의 툴체인은 이제 Armv8-M ISA에서 사용자 명령어를 지원하면서 생태계가 기대하는 신뢰성과 검증 표준을 보존합니다. 이 새로운 기능은 Arm TrustZone과도 완전히 호환되어 보안 프레임워크가 커스텀 연산을 모니터링할 수 있게 합니다.

Arm이 경쟁사보다 늦게 커스텀 명령어 분야에 진입했지만, 이 움직임은 오랫동안 지속된 고객 수요에 부응합니다. 단일 특수 명령어만으로도 클록 사이클과 에너지 소비를 줄여 측정 가능한 성능 향상을 제공할 수 있습니다. 다이 면적과 설계 시간 트레이드오프는 감수해야 합니다.

커스텀 명령어는 표준 Arm 오프코드와 인터리브됩니다. 소프트웨어 파편화를 피하고 일관된 개발 환경을 유지하기 위해 Arm은 고객이 주로 라이브러리 함수 내에서 이를 사용할 것을 권장합니다.

Armv8-M 구성 공간을 위한 Arm 커스텀 명령어 (출처: Arm 백서)

Arm이 초기에 목표로 하는 사용 사례에는 스토리지 컨트롤러와 모뎀이 포함됩니다. 커스텀 명령어 기능은 2020년 Cortex-M33에 무료 업그레이드로 제공될 예정입니다.

Cortex-A 코어의 경우 Arm은 아직 몇 년 뒤에나 커스텀 명령어를 제공할 수 있지만, 차세대 Matterhorn 코어(Hercules의 후속)를 위한 새로운 명령어와 보안 확장을 개발 중입니다. Matterhorn은 행렬 곱셈을 가속화하여 신경망 추론에 중요한 General Matrix Multiply(GEMM) 성능을 10배 향상시킬 것으로 예상됩니다.

성능 향상 외에도 Matterhorn은 포인터 인증, 브랜치 타겟 식별자, 메모리 태깅 확장을 도입하여 Platform Security Architecture(PSA) EL2 준수를 위한 길을 엽니다.

올해 초 Arm은 선불 비용을 대폭 낮춘 Flexible Access 라이선싱 프로그램을 공개했습니다. 이 프로그램에서는 단일 칩에 연간 $75,000, 무제한 칩에 $200,000만 지불하면 되며, 설계가 테이프아웃될 때까지 전체 라이선스 계약이 필요 없습니다.

이 유연한 가격 전략은 개발자의 재정적 진입 장벽을 낮추고 RISC-V에 대한 Arm의 경쟁적 대응을 시사합니다.

Arm은 더 깊은 협업을 촉진하기 위해 기업 문화도 재편하고 있습니다. 예를 들어, 오픈소스 Mbed OS의 거버넌스를 실리콘 파트너(Analog Devices, Cypress, Maxim Integrated, Nuvoton, NXP, Renesas, Realtek, Samsung, Silicon Labs, u-blox 등)에게 개방하여 미래 로드맵 결정에 영향을 줄 수 있게 했습니다.

Arm의 IP는 이미 1,500억 개 칩에 출하되었으며, 회사는 이 숫자가 향후 2년 내 두 배가 될 것으로 예상합니다. 이는 글로벌 반도체 생태계에서 Arm의 중요한 역할을 강조합니다.