ARM十年磨一劍，v9新架構(gòu)會重構(gòu)CPU市場嗎？

科技云報道原創(chuàng)。

近日，ARM正式宣布推出ARMv9架構(gòu)。據(jù)ARM官方稱，這是10年來最重要的創(chuàng)新，是未來3000億ARM芯片的基礎(chǔ)。

與上一代的ARMv8相比，ARMv9處理器將不再局限于移動/嵌入式市場，而是擴展到PC、HPC高性能計算、深度學(xué)習(xí)等新市場，以滿足全球?qū)δ苋找鎻姶蟮陌踩?、人工智能和專用處理的需求?/p>

ARMv9架構(gòu)的發(fā)布，會對CPU市場帶來什么樣的影響？對于中國而言，是否能夠解“缺芯”之急呢？

ARMv9的三大亮點

2011年10月，ARM首次發(fā)布ARMv8架構(gòu)，十年后的今天，ARMv9立足于ARMv8的成功基礎(chǔ)，將成為擔(dān)綱未來十年的主流計算架構(gòu)。那么，它和ARMv8架構(gòu)相比有哪些不同呢？

據(jù)ARM高級副總裁、首席架構(gòu)師兼技術(shù)院士Richard Grisenthwaite介紹，ARMv9繼續(xù)使用AArch64作為基準(zhǔn)指令集，但是在其功能上增加了一些非常重要的擴展。

他指出ARMv9有三個主要支柱，即：安全性、AI（機器學(xué)習(xí)）以及改進(jìn)的矢量和DSP功能。

亮點一：安全

為了解決當(dāng)今最大的技術(shù)挑戰(zhàn)——保護(hù)全球數(shù)據(jù)安全，ARMv9架構(gòu)路線圖引入了ARM機密計算架構(gòu)（Confidential Compute Architecture, CCA）。

機密計算通過打造基于硬件的安全運行環(huán)境來執(zhí)行計算，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。

例如，在ARM TrustZone的基礎(chǔ)上，可以將個人銀行信息與智能手機的社交媒體應(yīng)用完全分離。ARM CCA的新安全功能意味著，即使社交媒體應(yīng)用真的感染了惡意軟件，也不會傳播設(shè)備其他部分。

ARM CCA還引入動態(tài)創(chuàng)建機密領(lǐng)域（Realms）的概念，機密領(lǐng)域面向所有應(yīng)用，運行在獨立于安全或非安全環(huán)境之外的環(huán)境中，以實現(xiàn)保護(hù)數(shù)據(jù)安全的目的。

例如，在商業(yè)應(yīng)用中，機密領(lǐng)域可以保護(hù)系統(tǒng)中商用機密數(shù)據(jù)和代碼，無論它們正被使用、閑置或正在傳輸中。在云中，這也意味著保護(hù)物理CPU以及運行在第三方代碼旁邊的虛擬化處理器。

此外，ARM持續(xù)與谷歌合作開發(fā)的內(nèi)存標(biāo)簽擴展(MTE)技術(shù)，將成為第一代基于ARMv9-A處理器的一個組成部分。

過去30年中，許多廣為人知的數(shù)據(jù)安全漏洞，都是利用計算機如何存儲和調(diào)用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的漏洞造成的。如果黑客知道一串重要數(shù)據(jù)的位置，他們就可以用惡意代碼覆蓋它。

MTE使開發(fā)人員能夠使用“標(biāo)簽”鎖定數(shù)據(jù)串。然后，只有使用正確的密鑰才能訪問該數(shù)據(jù)，該密鑰由“指針”（負(fù)責(zé)從內(nèi)存中調(diào)用數(shù)據(jù)的代碼）持有。實現(xiàn)鎖和密鑰訪問是一個巨大的步驟，不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全，而且還可以保證數(shù)據(jù)的安全。

亮點二：針對AI機器學(xué)習(xí)的優(yōu)化

機器學(xué)習(xí)是ARMv9的重要組成部分，ARM認(rèn)為在未來幾年中，越來越多的機器學(xué)習(xí)工作負(fù)載將變得司空見慣。

為了滿足這一需求，ARM與富士通合作開發(fā)了可伸縮矢量擴展（Scalable Vector Extension, SVE）技術(shù)，并驅(qū)動了世界上最快的超級計算機“富岳”。在此基礎(chǔ)上，ARM為ARMv9開發(fā)了SVE2，以便在更廣泛的應(yīng)用中實現(xiàn)增強的機器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號處理能力。

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。

SVE2增強了對在CPU上本地運行的5G系統(tǒng)、虛擬和增強現(xiàn)實以及機器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的處理能力，如：圖像處理和智能家居應(yīng)用。

未來幾年，ARM將進(jìn)一步擴展其技術(shù)的AI能力，除了在其Mali GPU和Ethos NPU中持續(xù)進(jìn)行AI創(chuàng)新外，還將大幅增強CPU內(nèi)的矩陣乘法。

亮點三：通過系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)性能最大化

在過去的五年，ARM技術(shù)每年都以超過業(yè)界的速度提升CPU性能。ARM在新一代架構(gòu)ARMv9上將保持這個速度，預(yù)計未來兩代移動和基礎(chǔ)設(shè)施CPU的性能提升將超過30%。

據(jù)ARM官方稱，這個數(shù)據(jù)是根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)評測工具來衡量，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現(xiàn)的。

然而，隨著行業(yè)從通用計算向普遍的專用處理發(fā)展，每年兩位數(shù)的CPU性能提升是不夠的。除了增強專用處理能力，ARM的全面計算（Total Compute）設(shè)計方法，將通過集中的系統(tǒng)級硬件和軟件優(yōu)化以及用例性能的提高，加速總體計算性能。

通過將全面計算的設(shè)計原則應(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IP組合中，ARMv9系統(tǒng)級技術(shù)將遍及整個IP解決方案，并改善個別IP。

此外，ARM還在開發(fā)多項技術(shù)以提高頻率、帶寬、緩存，并降低內(nèi)存延遲，從而最大限度地提升基于ARMv9的CPU性能。

ARM欲打破x86壟斷

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和高性能計算市場，在ARM擅長的智能終端市場并不成功。

近幾年，ARM架構(gòu)在高性能計算領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，包括上面提到的“富岳”超級計算機，以及推出采用ARM架構(gòu)的多款服務(wù)器。

去年，蘋果基于ARM架構(gòu)推出M1處理器，并成功應(yīng)用在Macbook Pro電腦上。此外，高通、微軟也在布局基于ARM架構(gòu)的電腦處理器和系統(tǒng)。這一系列的舉動，都讓業(yè)界看到了x86架構(gòu)在PC市場的統(tǒng)治地位并非牢不可破。

ARM首席執(zhí)行官Simon Segars說，“ARM芯片實現(xiàn)1000億顆的出貨花了26年，如果預(yù)測準(zhǔn)確，接下來一年，我們的合作伙伴出貨的ARM芯片將累計達(dá)到2000億顆。也就是說，我們的第二個1000億的出貨將在短短5年內(nèi)達(dá)成?！?/p>

據(jù)媒體報道，目前ARM架構(gòu)的芯片出貨已經(jīng)超過1800億顆，ARMv9架構(gòu)會成為實現(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實現(xiàn)第三個1000億顆芯片出貨的時間，但可以明確的是，ARM希望其芯片能夠為所有智能計算提供算力，也就是讓其芯片在未來無處不在。

現(xiàn)在看來，在復(fù)雜的國際形勢下，同屬精簡指令集的RISC-V正在快速發(fā)展，加上x86陣營Intel和AMD也在加強x86的競爭力，ARM要真正撼動x86的優(yōu)勢領(lǐng)域并非易事。

華為能否獲得ARMv9授權(quán)？

不過，相比于ARMv9到底更新了哪些功能，國內(nèi)關(guān)注更多的還是華為能否獲得ARMv9的授權(quán)。

據(jù)悉，華為自主研發(fā)的海思芯片就是基于ARM架構(gòu)設(shè)計的。在美國出臺芯片禁令之時，華為方面表示，已經(jīng)獲得了ARMv8架構(gòu)授權(quán)，可以自主設(shè)計處理器，并掌握到核心技術(shù)。

雖然華為掌握著ARMv8架構(gòu)，但沒有最新構(gòu)架的支持，華為也將陷入停滯不前的狀態(tài)。

對于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)不受美國出口管理條例(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?！?/p>

細(xì)品這番發(fā)言，ARM的態(tài)度實在是模棱兩可：

第二，從ARM官網(wǎng)上可以看到，谷歌、英偉達(dá)、高通、小米、OPPO、VIVO、聯(lián)發(fā)科、臺積電都是ARM的合作伙伴，但是華為卻不見蹤影，可見這件事背后，還是有一些隱情。

換句話說，華為能否得到ARMv9的授權(quán)，其實還是一個未知數(shù)。

另一方面，即使華為得到v9的授權(quán)，但芯片制造依然是一個大問題。

同時，國內(nèi)業(yè)界也在擔(dān)憂，在ARM新架構(gòu)之下，快速進(jìn)軍PC和服務(wù)器業(yè)務(wù)，這會對我國硬件國產(chǎn)化以及系統(tǒng)國產(chǎn)化帶來更大壓力。

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