本周三，Arm發(fā)布了最新一代架構(gòu)Armv9，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)。
雷鋒網(wǎng)了解到，Armv9架構(gòu)有三個系列，分別是針對通用計算的A系列，實時處理器的R系列，微控制器的M系列，預(yù)計未來兩代移動基礎(chǔ)設(shè)施CPU的性能提升將超過30%。首款基于Armv9架構(gòu)CPU的移動處理器最快將在今年底問世，可能來自MediaTek。
Armv9架構(gòu)的初代版本增強了安全性、機器學(xué)習(xí)、DSP性能，Armv9架構(gòu)未來也將持續(xù)增強這些性能，并將加入新特性。
最近幾年，Arm架構(gòu)處理器已經(jīng)從智能手機為代表的終端向?qū)π阅芤蟾叩腜C、數(shù)據(jù)中心延伸。從最新的發(fā)布可以看到，Arm希望Armv9架構(gòu) CPU以及基于其GPU、NPU處理器能夠無處不在。如果Arm的目標能夠?qū)崿F(xiàn)，是否可以實現(xiàn)CPU計算統(tǒng)治?Arm的第三個1000萬出貨目標多久能夠達成?
安全是發(fā)揮計算架構(gòu)潛能最大的挑戰(zhàn)
Armv9架構(gòu)的發(fā)布會上，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。Arm高級副總裁、首席架構(gòu)師兼技術(shù)院士Richard Grisenthwaite解釋稱，“我看來，計算若要充分發(fā)揮潛能，安全是最大的挑戰(zhàn)，越來越多的私人數(shù)據(jù)被存放在計算系統(tǒng)中，這讓這些數(shù)據(jù)成為安全攻擊的誘人目標。今年網(wǎng)絡(luò)犯罪損失的金額預(yù)估高達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，實現(xiàn)保護數(shù)據(jù)安全的目的。比如，在商業(yè)應(yīng)用中，機密領(lǐng)域可以保護系統(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。
據(jù)悉，Arm會在今年下半年公布Arm CCA的更多信息。
內(nèi)存標簽擴展是Armv9架構(gòu)的另一項安全技術(shù)。Richard Grisenthwaite說：“在分析了全球軟件報告的大量安全問題后，我們發(fā)現(xiàn)許多問題的根源實際上與過去內(nèi)存安全的老問題有關(guān)。這些問題已經(jīng)困擾計算領(lǐng)域50年，兩個持續(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)存標簽擴展”技術(shù)，可以在軟件中查找空間和時間內(nèi)存安全的問題，允許軟件將指向內(nèi)存的指針與標簽建立關(guān)聯(lián)，并在使用指針時檢查這個標簽是否正確。
Richard稱，內(nèi)存標簽擴展是明年上市的第一代Armv9 CPU不可或缺的一部分。支持內(nèi)存標簽擴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本質(zhì)上更為安全的計算平臺，但這也會使某些系統(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%
安全性是計算架構(gòu)的基礎(chǔ)，性能提升則是滿足越來越高的計算需求以及多樣化計算需求的關(guān)鍵。Arm預(yù)計，新一代架構(gòu)Armv9將保持超過業(yè)界CPU性能提升的速度，未來兩代移動和基礎(chǔ)設(shè)施CPU的性能提升將超過30%。
Richard強調(diào)：“這個數(shù)據(jù)是根據(jù)業(yè)界標準評測工具來衡量，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)。”
計算性能提升非常重要的驅(qū)動力就是AI，Statista Research Department今年1月發(fā)布的最近報告估計，到21世紀20年代中期，全球?qū)⒂谐^80億臺搭載AI語音輔助的設(shè)備。不同設(shè)備對于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)了可伸縮矢量擴展(Scalable Vector Extension, SVE)技術(shù)并用在了全球最快的超級計算機“富岳”上。在SVE的基礎(chǔ)上，Armv9中使用了新開發(fā)的SVE2技術(shù)，增強了對在CPU上本地運行的5G系統(tǒng)、虛擬和增強現(xiàn)實以及ML工作負載的處理能力，能夠提供實現(xiàn)增強的機器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號處理能力。
“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)，這是否違背了精簡指令集(RISC)的初衷?Richard的觀點是：“Arm架構(gòu)的精簡指令(RISC)核心沒有改變，我們依然遵循著注冊到注冊(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CPU內(nèi)的矩陣乘法，Mali GPU和Ethos NPU也會持續(xù)進行AI創(chuàng)新，擴展Arm的技術(shù)能力。
統(tǒng)治CPU計算
目前，CPU領(lǐng)域最成功的架構(gòu)當屬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)測準確，接下來一年，我們的合作伙伴出貨的Arm芯片將累計達到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)達成。”
雷鋒網(wǎng)了解到，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。
為了實現(xiàn)這個目標，同時滿足行業(yè)從通用計算向普遍的專用處理發(fā)展的需求，Arm也開始強調(diào)全面計算的理念。全面計算設(shè)計方法包含Arm的CPU、GPU、NPU，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。
與此配合，Arm也需要在標準化程度上取得平衡。Richard說：“如果過多的標準化，那么合作伙伴將無法開發(fā)合適的專用解決方案。而如果太少的標準化，我們得承擔低價值、形同實異的解決方案的風(fēng)險。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)看到了標準化平衡的價值，推出了“服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)SBSA”和相關(guān)的認證計劃“服務(wù)器就緒”。
“我們也正在擴大標準化的范圍，Arm SystemReady將服務(wù)器就緒計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，以實現(xiàn)通用操作系統(tǒng)及虛擬機管理程序之間的交互運作。”Richard說。
如果Arm的全面計算以及標準化探索成功，從終端到邊緣再到云端，Arm是否就能夠?qū)崿F(xiàn)在未來的計算統(tǒng)治?實現(xiàn)3000億顆甚至更多芯片出貨又會有多快呢?
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。
另一方面，中國作為芯片進口的大國，Arm與Nvidia的收購交易，以及美國對中國領(lǐng)先芯片設(shè)計公司的出口限制，讓客戶產(chǎn)生擔憂。
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。”
這樣的回復(fù)，不知你怎么看?
