Arm發(fā)布新一代架構(gòu)Armv9 最快將在年底問世

Arm 發(fā)布了最新一代架構(gòu)Arm v9，這一架構(gòu)是在目前已經(jīng)廣泛使用的 Armv8 的基礎(chǔ)上，面向未來十年的新一代架構(gòu)。

Armv9 架構(gòu)有三個(gè)系列，分別是針對(duì)通用計(jì)算的 A 系列，實(shí)時(shí)處理器的 R 系列，微控制器的 M 系列，預(yù)計(jì)未來兩代移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施 CPU 的性能提升將超過 30%。首款基于 Armv9 架構(gòu) CPU 的移動(dòng)處理器最快將在今年底問世，可能來自 MediaTek。

Arm v9 架構(gòu)的初代版本增強(qiáng)了安全性、機(jī)器學(xué)習(xí)、DSP 性能，Arm v9 架構(gòu)未來也將持續(xù)增強(qiáng)這些性能，并將加入新特性。

最近幾年，Arm 架構(gòu)處理器已經(jīng)從智能手機(jī)為代表的終端向?qū)π阅芤蟾叩?PC、數(shù)據(jù)中心延伸。從最新的發(fā)布可以看到，Arm 希望 Arm v9 架構(gòu) CPU 以及基于其 GPU、NPU 處理器能夠無處不在。如果 Arm 的目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，是否可以實(shí)現(xiàn) CPU 計(jì)算統(tǒng)治?Arm 的第三個(gè) 1000 萬出貨目標(biāo)多久能夠達(dá)成?

安全是發(fā)揮計(jì)算架構(gòu)潛能最大的挑戰(zhàn)

Arm v9 架構(gòu)的發(fā)布會(huì)上，安全性被頻頻提及，與安全相關(guān)的技術(shù)和介紹的篇幅也很長(zhǎng)。Arm 高級(jí)副總裁、首席架構(gòu)師兼技術(shù)院士 Richard Grisenthwaite 解釋稱，“我看來，計(jì)算若要充分發(fā)揮潛能，安全是最大的挑戰(zhàn)，越來越多的私人數(shù)據(jù)被存放在計(jì)算系統(tǒng)中，這讓這些數(shù)據(jù)成為安全攻擊的誘人目標(biāo)。今年網(wǎng)絡(luò)犯罪損失的金額預(yù)估高達(dá) 6 萬億美元。”

因此，Armv9 架構(gòu)在安全性方面做了多方面的工作。首先是引入了Arm 機(jī)密計(jì)算架構(gòu)(Confidential Compute Architecture, CCA)，機(jī)密計(jì)算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。

Arm CCA 將引入動(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，實(shí)現(xiàn)保護(hù)數(shù)據(jù)安全的目的。比如，在商業(yè)應(yīng)用中，機(jī)密領(lǐng)域可以保護(hù)系統(tǒng)中商用機(jī)密數(shù)據(jù)和代碼，無論它們正被使用、閑置或正在傳輸中。

據(jù)悉，Arm 會(huì)在今年下半年公布 Arm CCA 的更多信息。

內(nèi)存標(biāo)簽擴(kuò)展是 Armv9 架構(gòu)的另一項(xiàng)安全技術(shù)。Richard Grisenthwaite 說：“在分析了全球軟件報(bào)告的大量安全問題后，我們發(fā)現(xiàn)許多問題的根源實(shí)際上與過去內(nèi)存安全的老問題有關(guān)。這些問題已經(jīng)困擾計(jì)算領(lǐng)域 50 年，兩個(gè)持續(xù)多年特別常見的內(nèi)存安全問題——緩存溢出和釋放后重用。很大一部分的問題是，這些內(nèi)存安全漏洞被利用之前就能發(fā)現(xiàn)問題，這是提高全球軟件安全至關(guān)重要的一步。”

Arm 持續(xù)與谷歌合作開發(fā)的 “內(nèi)存標(biāo)簽擴(kuò)展”技術(shù)，可以在軟件中查找空間和時(shí)間內(nèi)存安全的問題，允許軟件將指向內(nèi)存的指針與標(biāo)簽建立關(guān)聯(lián)，并在使用指針時(shí)檢查這個(gè)標(biāo)簽是否正確。

Richard 稱，內(nèi)存標(biāo)簽擴(kuò)展是明年上市的第一代 Armv9 CPU不可或缺的一部分。支持內(nèi)存標(biāo)簽擴(kuò)展的軟件也正被引入到安卓 11 系統(tǒng)和 OPENSUSE。

Arm 還與劍橋大學(xué)在其 CHERI 架構(gòu)上合作多年，從架構(gòu)底層來提升安全性。據(jù)介紹，CHERI 架構(gòu)定義了可提供這種封裝能力的硬件功能，這在未來將可能促成一個(gè)本質(zhì)上更為安全的計(jì)算平臺(tái)，但這也會(huì)使某些系統(tǒng)的變成方式產(chǎn)生重大改變。

不過，這種架構(gòu) Arm 已經(jīng)在和其合作伙伴探索，如果成功，會(huì)在未來 5-6 年引入 Armv9 架構(gòu)，成為 Armv9 架構(gòu)主要的組件之一。

未來兩代 Armv9 架構(gòu) CPU 性能提升將超過 30%

安全性是計(jì)算架構(gòu)的基礎(chǔ)，性能提升則是滿足越來越高的計(jì)算需求以及多樣化計(jì)算需求的關(guān)鍵。Arm 預(yù)計(jì)，新一代架構(gòu) Armv9 將保持超過業(yè)界 CPU 性能提升的速度，未來兩代移動(dòng)和基礎(chǔ)設(shè)施 CPU 的性能提升將超過 30%。

Richard 強(qiáng)調(diào)：“這個(gè)數(shù)據(jù)是根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)評(píng)測(cè)工具來衡量，30% 的算力提升完全是憑借于本身架構(gòu)而不是借助于制程工藝來實(shí)現(xiàn)。”

計(jì)算性能提升非常重要的驅(qū)動(dòng)力就是 AI，Statista Research Department 今年 1 月發(fā)布的最近報(bào)告估計(jì)，到 21 世紀(jì) 20 年代中期，全球?qū)⒂谐^ 80 億臺(tái)搭載 AI 語音輔助的設(shè)備。不同設(shè)備對(duì)于 AI 性能的需求不同，也就需要不同的 AI 處理器。

Arm 與富士通合作開發(fā)了可伸縮矢量擴(kuò)展(Scalable Vector Extension, SVE)技術(shù)并用在了全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī) “富岳”上。在 SVE 的基礎(chǔ)上，Armv9 中使用了新開發(fā)的 SVE2 技術(shù)，增強(qiáng)了對(duì)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，能夠提供實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號(hào)處理能力。

“我們還將通過提升頻率、帶寬、緩存大小、并減少內(nèi)存延遲，以最大化 CPU 性能。”Richard 表示。

在解決新問題的過程中，Arm 加入了一些復(fù)雜技術(shù)，這是否違背了精簡(jiǎn)指令集(RISC)的初衷?Richard 的觀點(diǎn)是：“Arm 架構(gòu)的精簡(jiǎn)指令(RISC)核心沒有改變，我們依然遵循著注冊(cè)到注冊(cè) (registration to registration) 的操作原則，所以從硬件的角度來看，Arm 指令集仍然保持著精益性。”

Arm 稱，除了大幅增強(qiáng) CPU 內(nèi)的矩陣乘法，Mali GPU 和 Ethos NPU 也會(huì)持續(xù)進(jìn)行 AI 創(chuàng)新，擴(kuò)展 Arm 的技術(shù)能力。

統(tǒng)治 CPU 計(jì)算

目前，CPU 領(lǐng)域最成功的架構(gòu)當(dāng)屬 x86，不過 x86 的成功和統(tǒng)治力在于 PC 和高性能計(jì)算市場(chǎng)，在 Arm 擅長(zhǎng)的智能終端市場(chǎng)并不成功。近幾年，Arm 架構(gòu)在高性能計(jì)算領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，包括上面提到的 “富岳”超級(jí)計(jì)算機(jī)，以及推出采用 Arm 架構(gòu)的多款服務(wù)器。去年，蘋果 M1 處理器 Macbook Pro 電腦的推出，也讓業(yè)界看到了 x86 架構(gòu)在 PC 市場(chǎng)的統(tǒng)治地位并非牢不可破。

Arm 首席執(zhí)行官 Simon Segars 說，“Arm 芯片實(shí)現(xiàn) 1000 億顆的出貨花了 26 年，如果預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，接下來一年，我們的合作伙伴出貨的 Arm 芯片將累計(jì)達(dá)到 2000 億顆。也就是說，我們的第二個(gè) 1000 億的出貨將在短短 5 年內(nèi)達(dá)成。”

目前 Arm 架構(gòu)的芯片出貨已經(jīng)超過1800 億顆，Armv9 架構(gòu)會(huì)成為實(shí)現(xiàn) Arm 芯片 3000 億顆芯片出貨的先驅(qū)。沒有人能準(zhǔn)確預(yù)估 Arm 實(shí)現(xiàn)第三個(gè) 1000 億顆芯片出貨的時(shí)間，但可以明確的是 Arm 希望其芯片能夠?yàn)樗兄悄苡?jì)算提供算力，也就是讓其芯片在未來無處不在。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，同時(shí)滿足行業(yè)從通用計(jì)算向普遍的專用處理發(fā)展的需求，Arm 也開始強(qiáng)調(diào)全面計(jì)算的理念。全面計(jì)算設(shè)計(jì)方法包含 Arm 的 CPU、GPU、NPU，通過將全面計(jì)算的設(shè)計(jì)原則應(yīng)用在包含汽車、客戶端、基礎(chǔ)設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)解決方案的整個(gè) IP 組合中。

與此配合，Arm 也需要在標(biāo)準(zhǔn)化程度上取得平衡。Richard 說：“如果過多的標(biāo)準(zhǔn)化，那么合作伙伴將無法開發(fā)合適的專用解決方案。而如果太少的標(biāo)準(zhǔn)化，我們得承擔(dān)低價(jià)值、形同實(shí)異的解決方案的風(fēng)險(xiǎn)。這將讓軟件生態(tài)系統(tǒng)的成本增加、且毫無益處。”

Arm 在服務(wù)器領(lǐng)域中已經(jīng)看到了標(biāo)準(zhǔn)化平衡的價(jià)值，推出了 “服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu) SBSA”和相關(guān)的認(rèn)證計(jì)劃 “服務(wù)器就緒”。

“我們也正在擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)化的范圍，Arm SystemReady 將服務(wù)器就緒計(jì)劃的概念從云端延伸到物聯(lián)網(wǎng)邊緣等廣泛的設(shè)備上，以實(shí)現(xiàn)通用操作系統(tǒng)及虛擬機(jī)管理程序之間的交互運(yùn)作。”Richard 說。

如果 Arm 的全面計(jì)算以及標(biāo)準(zhǔn)化探索成功，從終端到邊緣再到云端，Arm 是否就能夠?qū)崿F(xiàn)在未來的計(jì)算統(tǒng)治?實(shí)現(xiàn) 3000 億顆甚至更多芯片出貨又會(huì)有多快呢?

小結(jié)

現(xiàn)在看來，有兩大方面的阻礙，一方面是在復(fù)雜的國際形勢(shì)下，同屬精簡(jiǎn)指令集的 RISC-V 正在快速發(fā)展，加上 x86 陣營 intel 和 AMD 也在加強(qiáng) x86 的競(jìng)爭(zhēng)力，Arm 要真正撼動(dòng) x86 的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域并非易事。

另一方面，中國作為芯片進(jìn)口的大國，Arm 與 Nvidia 的收購交易，以及美國對(duì)中國領(lǐng)先芯片設(shè)計(jì)公司的出口限制，讓客戶產(chǎn)生擔(dān)憂。

對(duì)于 Armv9 是否以供給包括華為在內(nèi)的中國企業(yè)的問題，Arm 的官方回復(fù)是：“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(duì)華為及其附屬公司海思的指導(dǎo)方針。”

這樣的回復(fù)，不知你怎么看?

關(guān)鍵詞： Arm 架構(gòu) 年底