淺談Armv9的三個(gè)技術(shù)特性及引發(fā)的市場競爭力

Arm架構(gòu)在如今的電子行業(yè)中可以說是無處不在。自1990年Arm公司正式成立Armv4架構(gòu)到2011年Armv8架構(gòu)，短短21年架構(gòu)經(jīng)過了5次重大升級。而Armv8意味著Arm正是從AArch32邁進(jìn)AArch64，憑借強(qiáng)大的實(shí)力在過去的五年基于Arm架構(gòu)的設(shè)備出貨量超過了1000億。

十年轉(zhuǎn)瞬，Armv9架構(gòu)終于露出廬山真面目，適用于Arm全系列芯片的Armv9架構(gòu)，這次的升級瞄準(zhǔn)的則是日益強(qiáng)大的安全、人工智能（AI）和無處不在的專用處理的需求。實(shí)際上，Armv9架構(gòu)的推出也與正預(yù)示著行業(yè)的發(fā)展方向。憑借新架構(gòu)，Arm提出了3000億的目標(biāo)。

Armv9的三個(gè)技術(shù)特性

根據(jù)Arm高級副總裁、首席架構(gòu)師兼技術(shù)院士Richard Grisenthwaite的介紹，Armv9架構(gòu)是基于Armv8既往成功的基礎(chǔ)，并增添了針對矢量處理的DSP、機(jī)器學(xué)習(xí)ML、安全等這三個(gè)技術(shù)特性。

Armv8之所以“統(tǒng)治”市場十年之久，最大的升級點(diǎn)便是引入了64架構(gòu)，即AArch64，這也是Arm版本升級最大的一次改變。除此之外，AArch64摒棄了此前的處理器模式、優(yōu)先級級別等傳統(tǒng)概念，提出了EL（Exception level），并在兼容設(shè)計(jì)上定義了兩套運(yùn)行環(huán)境ES（Execution state）。這些也都被Armv9所繼承，可以說Armv9是集大成者，將Arm三十多年的核心完美繼承下來。

矢量處理的DSP、機(jī)器學(xué)習(xí)ML處理能力提升要?dú)w功于可伸縮矢量擴(kuò)展（SVE2）和矩陣乘法指令的引入。相比SVE的128位矢量，SVE2可以支持多倍128位運(yùn)算，最多2048位，因此才有如此魔力可以增強(qiáng)對在CPU上本地運(yùn)行的5G系統(tǒng)、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及ML工作負(fù)載的處理能力。

根據(jù)Richard Grisenthwaite的介紹，SVE2增強(qiáng)多項(xiàng)DSP和機(jī)器學(xué)習(xí)ML處理能力，例如Scatter-Gather DMA直接存儲(chǔ)器訪問，把它放到CPU架構(gòu)中，能實(shí)現(xiàn)更多的循環(huán)，更大的DSP處理能力，從而支持更多的并行化。

安全能力提升則主要是通過Arm推出的全新的機(jī)密計(jì)算架構(gòu)CCA（Confidential Compute Architecture）實(shí)現(xiàn)，根據(jù)介紹CCA通過打造基于硬件的安全運(yùn)行環(huán)境來執(zhí)行計(jì)算，保護(hù)部分代碼和數(shù)據(jù)，免于被存取或修改，甚至不受特權(quán)軟件的影響。同時(shí)還將基于此前的TrustZone安全技術(shù)引入動(dòng)態(tài)創(chuàng)建機(jī)密領(lǐng)域（Realms）的概念，機(jī)密領(lǐng)域面向所有應(yīng)用，運(yùn)行在獨(dú)立于安全或非安全環(huán)境之外的環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)數(shù)據(jù)安全的目的。

Armv9在算力上的提升

提到架構(gòu)的升級，就離不開算力這一個(gè)話題，Armv9架構(gòu)能夠?yàn)锳rm后兩代產(chǎn)品提供30%的性能提升。根據(jù)介紹，以智能手機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)使用的Cortex-X/A系列為例，X1/A78這一代的性能相比16nm A72提升2.5倍，下一代的Matterhorn架構(gòu)及Makalu架構(gòu)會(huì)保持30%以上的IPC性能提升。

除了CPU性能以外，Armv9還非常重視整體的性能提升，包括降低內(nèi)存延遲（從150ns降至90ns）、頻率提升（從2.6GHz到3.3GHz）內(nèi)存帶寬（從20GB/s到60GB/s）、緩存等。

Richard Grisenthwaite強(qiáng)調(diào)，Arm在新一代架構(gòu)Armv9上將保持這個(gè)速度，預(yù)計(jì)未來兩代移動(dòng)和基礎(chǔ)設(shè)施CPU的性能提升將超過30%。，這個(gè)數(shù)據(jù)是根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)評測工具來衡量的，而且這樣30%的算力提升完全是憑借于本身的架構(gòu)而不是借助于制程工藝來實(shí)現(xiàn)。

另外，隨著摩爾定律正在放緩，如何進(jìn)一步提升算力呢？他認(rèn)為，Arm將通過最大化地提升頻率、帶寬、緩存大小、并減少內(nèi)存延遲，以最大化CPU性能。

除了CPU，Arm還表示Mali GPU會(huì)增加更多高級功能，例如VRS可變幀率渲染、RT光線追蹤及其他高級渲染技術(shù)等。

由Armv9引發(fā)的市場競爭力

實(shí)際上，在去年Arm發(fā)布Arm? Cortex?-M55處理器和Arm Ethos?-U55神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）兩款重磅“性能炸彈”時(shí)，就已開始蓄力發(fā)展人工智能（AI）。Cortex-M55是Arm歷來AI能力最為強(qiáng)大的Cortex-M處理器，能夠大幅提升DSP與ML的性能，同時(shí)更省電。

反觀行業(yè)趨勢，應(yīng)用開始要求提供更高的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）性能，實(shí)時(shí)算法的復(fù)雜程度增加和浮點(diǎn)算法趨勢下，DSP核或硬件加速單元越來越多被部署內(nèi)嵌在器件之中。DSP一直影響著下一代產(chǎn)品創(chuàng)新，這是因?yàn)樵S多算法在字長和動(dòng)態(tài)范圍有著很高的要求，DSP可免去定點(diǎn)到浮點(diǎn)的轉(zhuǎn)化工作加速產(chǎn)品上市，另外DSP浮點(diǎn)計(jì)算成本越來越接近定點(diǎn)計(jì)算。正因如此，便形成了Arm+DSP內(nèi)核的黃金搭檔。

另外，行業(yè)也正在將越來越多的機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載變得更加普遍，雖然機(jī)器學(xué)習(xí)有著許多專用的加速器，不過相比來說大量的小范圍機(jī)器學(xué)習(xí)的主力仍然是CPU，因此矩陣乘法指令成為關(guān)鍵。

在安全性能上，Arm曾在此前進(jìn)行了多維度的功能增強(qiáng)，包括PSA認(rèn)證、TrustZone等。目前PSA認(rèn)證已經(jīng)有有超過35個(gè)合作伙伴提供的60多種認(rèn)證產(chǎn)品，而新推出的CCA則也將基于TrustZone提供更加安全的架構(gòu)。

從Armv9著眼的點(diǎn)來看，行業(yè)正逐漸對算力功耗平衡性和安全性能要求提高。Arm架構(gòu)可用在物聯(lián)網(wǎng)的大部分設(shè)備之上，因此對這兩項(xiàng)要求更加吃緊。大數(shù)據(jù)時(shí)代爆炸量的信息增長下，一方面將計(jì)算分成了多個(gè)維度，另一方面將會(huì)對數(shù)據(jù)安全提出更高的要求。

根據(jù)Arm的介紹，搭載ARMv9處理器的芯片最快在2021年年底就會(huì)面世，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨成熟，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)恰好提升競爭力的好時(shí)機(jī)。市場或?qū)碛凶非髽O致計(jì)算性能的高端產(chǎn)品、超低功耗的省電高手、主打安全可靠的產(chǎn)品。而Armv9經(jīng)過架構(gòu)的更新，能夠從底層和非制程方向進(jìn)行大改革，相信能為市場帶來新的競爭力。

而在廣為受關(guān)注的國內(nèi)授權(quán)問題上，Arm強(qiáng)調(diào)：“Arm既有源于美國的IP，也有非源于美國的IP。經(jīng)過全面的審查，Arm確定其Armv9架構(gòu)不受美國出口管理?xiàng)l例（EAR）的約束。Arm已將此通知美國政府相關(guān)部門，我們將繼續(xù)遵守美國商務(wù)部針對華為及其附屬公司海思的指導(dǎo)方針?！?br /> 編輯：lyn