Arm公司正式發(fā)布了該公司的新一代Armv9架構(gòu)的首個細節(jié)

自Arm在2011年10月首次發(fā)布Armv8架構(gòu)以來，已經(jīng)過去了近十年的時間。這對Arm來說是一個相當(dāng)可觀的十年，因為在這段時間內(nèi)，他們的指令集架構(gòu)受到移動市場和服務(wù)器市場的高度關(guān)注，并鉚足勁在包括筆記本電腦和臺式機設(shè)備市場發(fā)力。過去多年里，Arm對ISA進行了改進，也對體系結(jié)構(gòu)進行了各種更新和擴展。當(dāng)中一些可能很重要，有些可能也是一瞥而過。

今天，作為Arm的Vision Day活動的一部分，該公司正式發(fā)布了該公司的新一代Armv9架構(gòu)的首個細節(jié)，為Arm未來十年內(nèi)成為下一個3000億芯片的計算平臺奠定了基礎(chǔ)。

讀者可能會問的一個大問題是，Armv9與Armv8究竟有何不同，能讓架構(gòu)獲得如此大的提升。確實，從純粹的ISA角度來看，v9可能不像v8相比v7那樣實現(xiàn)根本性的跳躍，后者引入了AArch64，一個完全不同的執(zhí)行模式和指令集，該指令集與AArch32相比具有更大的微體系結(jié)構(gòu)分支，例如擴展寄存器，64位虛擬地址空間和更多改進。

Armv9繼續(xù)使用AArch64作為基準指令集，但是在其功能上增加了一些非常重要的擴展，以保證architecture numbering的增加，并且允許Arm不僅可以獲得對AArch64進行某種軟件重新基準化v9的新功能，還能保持我們多年來在v8上獲得的擴展。

Arm認為新架構(gòu)Armv9有三個主要支柱，即安全性、AI以及改進的矢量和DSP功能。對于v9，安全性是一個非常重要的主題，我們將深入探討新擴展和功能的新細節(jié)，但是首先談到的DSP和AI功能應(yīng)該很簡單。

新的Armv9兼容CPU所承諾的最大的新功能可能是開發(fā)人員和用戶可以立即看到的——SVE2作為NEON的后繼產(chǎn)品。

可伸縮矢量擴展（SVE）的于2016年首次亮相，并首次在富士通的A64FX CPU內(nèi)核中實現(xiàn)，該芯片已為日本排名第一的超級計算機Fukagu提供支持。SVE的問題在于，新的可變矢量長度SIMD指令集的第一次迭代的范圍相當(dāng)有限，并且更多地針對HPC工作負載，缺少了許多仍由NEON涵蓋的更通用的指令。

SVE2于2019年4月發(fā)布，旨在通過用所需指令補充新的可擴展SIMD指令集來解決此問題，以服務(wù)于類似DSP等目前仍在使用NEON的工作負載。

除了增加的各種現(xiàn)代SIMD功能外，SVE和SVE2的優(yōu)勢還在于其可變的向量大小，范圍覆蓋了128b到2048b，讓其無論在什么硬件運行，都允許向量的可變粒度為128b。如果純粹從向量處理和編程的角度來看，這意味著軟件開發(fā)人員將只需要編譯一次其代碼，并且如果將來某個CPU帶有本地的512b SIMD execution pipelines，該代碼將能夠充分利用單元的整個寬度。同樣，相同的代碼將能夠在具有較低硬件執(zhí)行寬度能力的保守設(shè)計上運行，這對于Arm設(shè)計從物聯(lián)網(wǎng)、移動到數(shù)據(jù)中心的CPU而言至關(guān)重要。在保留Arm體系結(jié)構(gòu)的32b編碼空間的同時，它還可以完成所有這些工作。然而類似X86這樣的架構(gòu)則需要根據(jù)矢量尺寸增加新的指令和擴展。

機器學(xué)習(xí)也被視為Armv9的重要組成部分，因為Arm認為在未來幾年中，越來越多的ML工作負載將變得司空見慣，當(dāng)中包括了對性能或電源效率有至關(guān)重要要求的場景中。那就讓在專用加速器上運行ML工作負載變成長久的需要，與此同時，我們還會繼續(xù)在CPU上運行較小范圍的ML工作負載。

矩陣乘法指令（Matrix multiplication instructions ）是此處的關(guān)鍵，它將代表生態(tài)系統(tǒng)中將更大范圍采用v9 CPU作為基本功能所邁出的重要一步。

通常，我認為SVE2可能是保證升級到v9的最重要因素，因為它是更確定的ISA功能，可以在日常使用中與v8 CPU區(qū)別開來，并且可以保證軟件生態(tài)系統(tǒng)能夠正常運行，這與現(xiàn)有的v8堆棧有所不同。對于服務(wù)器領(lǐng)域的Arm來說，這實際上已經(jīng)成為一個相當(dāng)大的問題，因為軟件生態(tài)系統(tǒng)仍在基于v8.0的軟件包基礎(chǔ)上，不幸的是，該軟件包缺少了最重要的v8.1大型系統(tǒng)擴展。

使整個軟件生態(tài)系統(tǒng)向前發(fā)展，并假設(shè)新的v9硬件具有新的體系結(jié)構(gòu)擴展功能，這將有助于推動事情發(fā)展，并可能解決某些當(dāng)前情況。

但是，v9不僅涉及SVE2和新指令，它還非常注重安全性，在安全性方面我們將看到一些更根本的變化。

介紹機密的計算架構(gòu)

在過去的幾年中，安全性和硬件安全性漏洞已成為芯片行業(yè)的頭等大事，Spectre，Meltdown等漏洞的出現(xiàn)及其所有同級邊信道攻擊都表明，重新思考如何保證安全成為了一個基本需求。Arm希望用來解決這一總體問題的方法是通過引入Arm機密計算體系結(jié)構(gòu)（Arm Confidential Compute Architecture：CAA）來重新設(shè)計安全應(yīng)用程序的工作方式。 在繼續(xù)之前，我想提箱一下，今天的披露僅僅是對新CCA運作方式的高層次解釋，Arm說，有關(guān)新安全機制的確切工作原理的更多細節(jié)將在今年夏天的晚些時候公布。

CCA的目標是從當(dāng)前的軟件堆棧情況中獲得更大的收益，在當(dāng)前的軟件堆棧情況下，在設(shè)備上運行的應(yīng)用程序必須固有地信任它們所運行的操作系統(tǒng)和虛擬機管理程序。傳統(tǒng)的安全模型是基于以下事實建立的：更高特權(quán)的軟件層被允許查看較低層的執(zhí)行，然而當(dāng)操作系統(tǒng)或系統(tǒng)管理程序被以任何方式損害時，這就可能成為了一個問題。 CCA引入了動態(tài)創(chuàng)建““realms”的新概念，可以將其視為對OS或虛擬機管理程序完全不透明的安全容器化執(zhí)行環(huán)境。系統(tǒng)管理程序?qū)⑷匀淮嬖?，但僅負責(zé)調(diào)度和資源分配。而“realm”將由稱為“ealm manager”的新實體管理，其被認為是一段新的代碼，大致大小約為hypervisor的1/10。 realm內(nèi)的應(yīng)用程序?qū)⒛軌颉白C明”領(lǐng)域管理器以確定其是否可信任，這對于傳統(tǒng)的虛擬機管理程序而言是不可能的。 Arm并沒有深入探討究竟是什么造成了realm與操作系統(tǒng)和虛擬機管理程序的非安全世界之間的這種隔離，但聽起來確實像硬件支持的地址空間，但它們無法相互交互。

使用realms的優(yōu)勢在于，它極大地減少了設(shè)備上運行的給定應(yīng)用程序的信任鏈，并且OS對安全性問題變得越來越透明。與當(dāng)今需要企業(yè)或企業(yè)使用帶有授權(quán)軟件堆棧的專用設(shè)備的情況相反，需要監(jiān)督控制的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序?qū)⒛軌蛟谌魏卧O(shè)備上運行。

MTE（memory tagging extensions）并不是v9的新功能，而是隨v8.5一起引入的，MTE或內(nèi)存標記擴展旨在幫助解決世界軟件中兩個最持久的安全問題。緩沖區(qū)溢出（Buffers overflows）和無用后使用（use-after-free）是持續(xù)的軟件設(shè)計問題，在過去的50年中，這些問題一直是軟件設(shè)計的一部分，并且可能需要花費數(shù)年的時間才能對其進行識別或解決。MTE旨在通過在分配時標記指針并在使用時進行檢查來幫助識別此類問題。

未來的Arm CPU路線圖

這與v9沒有直接關(guān)系，但是與即將到來的v9設(shè)計的技術(shù)路線圖緊密相關(guān)，Arm還談到了有關(guān)他們在未來2年中對v9設(shè)計的預(yù)期性能的一些觀點。

Arm談到了移動市場在今年如何將帶有X1的設(shè)備性能提升了2.4倍（此處我們僅指ISO流程設(shè)計的IPC），該性能是幾年前推出的Cortex-A73的兩倍。 有趣的是，Arm還談到了Neoverse V1設(shè)計及其如何達到A72類似設(shè)計性能的2.4倍，并透露他們期待著他今年晚些時候發(fā)布的首批V1設(shè)備。 對于代號為“ Matterhorn”和“ Makalu”的下一代移動IP內(nèi)核，該公司公開了這兩代產(chǎn)品的合計預(yù)期IPC增益為30％，其中不包括SoC設(shè)計人員可以獲得的頻率或任何其他其他性能增益。這實際上代表著這兩種新設(shè)計的世代增加了14％，并且如幻燈片中的性能曲線所示，這表明相對于自A76以來Arm在過去幾年所管理的工作而言，改進的步伐正在放緩。不過，該公司指出，進步速度仍然遠遠超過行業(yè)平均水平。但潭門也坦言，這被一些行業(yè)參與者拖累了。

Arm還提供了一張很有意思的幻燈片，該幻燈片旨在關(guān)注系統(tǒng)側(cè)對性能的影響，而不僅僅是CPU IP性能。從這里提供的一些數(shù)據(jù)可以看到，例如每5ns的內(nèi)存延遲中有1％的性能，這是我們現(xiàn)在已經(jīng)廣泛討論了幾代的數(shù)字，但是Arm在這里還指出，排除了是否通過改善內(nèi)存路徑，增加緩存或優(yōu)化頻率功能來改善實現(xiàn)的其他各個方面，他們可以使用整整一代的CPU性能提升，我認為這是對SoC供應(yīng)商當(dāng)前保守方法的一種評價，這些方法沒有充分利用X1內(nèi)核的預(yù)期性能余量，并且隨后也未達到新內(nèi)核的預(yù)期性能預(yù)測。

Arm繼續(xù)將CPU視為未來最通用的計算模塊。盡管專用的加速器或GPU將會占有一席之地，但它們很難解決一些重要問題，例如可編程性，保護性，普遍性（本質(zhì)上是在任何設(shè)備上運行它們的能力）以及經(jīng)過驗證的正常工作的能力。當(dāng)前，計算生態(tài)系統(tǒng)在運行方式上極為分散，不僅設(shè)備類型不同，而且設(shè)備供應(yīng)商和操作系統(tǒng)也不同。 SVE2和Matrix乘法可以極大地簡化軟件生態(tài)系統(tǒng)，并允許計算工作負載以更統(tǒng)一的方法向前邁進，該方法將來將可以在任何設(shè)備上運行。

最后，Arm還分享了有關(guān)Mali GPU未來的新信息，并透露該公司正在開發(fā)VRS等新技術(shù)，尤其是Ray Tracing。這一點令人非常令人驚訝，也表明AMD和Nvidia引入RT推動的臺式機和控制臺生態(tài)系統(tǒng)也有望將移動GPU生態(tài)系統(tǒng)推向RT。

Armv9設(shè)計即將在2022年初面世

今天的公告以一種非常高級的形式出現(xiàn)，我們希望Arm在接下來的幾個月中，在公司通常的年度技術(shù)披露中，更多地談?wù)揂rmv9的各種細節(jié)和新功能，例如CCA。 總的來說，Armv9似乎是更基本的ISA轉(zhuǎn)變（可以看作SVE2）與軟件生態(tài)系統(tǒng)的總體重新基準的結(jié)合，以匯總v8擴展的最后十年，并為下一個十年奠定基礎(chǔ)Arm體系結(jié)構(gòu)。 Arm于去年下半年已經(jīng)談?wù)撨^Neoverse V1和N2，我確實希望N2至少最終是基于v9而設(shè)計發(fā)布的。Arm進一步透露，更多基于Armv9的 CPU設(shè)計（可能是移動端Cortex-A78和X1的后續(xù)產(chǎn)品）將于今年推出，而新的CPU可能已經(jīng)被通常的SoC供應(yīng)商所采用，并且有望成為在2022年初在商用設(shè)備中出現(xiàn)。

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