ARM 之十四 ARMv9 架构前瞻

￡神魔★判官ぃ 2022-11-16 10:50 445阅读 0赞

在 2021 年的 Arm Vision Day 上（2021年 3 月 30，对应的北京时间应该是 2021 年 3 月 31 日），ARM 展示了其最新的架构：ARMv9。ARMv9 被 ARM 冠以未来 10 年愿景的称号，并将其称为 10 年以来最重要的创新。声称可以将 ARM 生态系统中超 1000 家合作伙伴的直接带入 2030 年。过去的 10 年是 ARMv8 的时代，未来的 10 年则是 ARMv9 的天下。  
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  目前，ARM 并没有放出太多关于 ARMv9 的资料。目前从官网能找到的资料并不是很多，具体见参考部分。从目前的公开资料中，我们可以提炼出一些有用的信息。ARMv9 将重点提供更高的性能，增强的安全性以及 DSP 和 ML （Machine Learning，机器学习）功能。

# 愿景 #

在视频演讲中，ARM 人员给出了目前 ARM 对于未来 10 年的愿景。这也间接给出了 ARMv9 要重点解决的的方向：机器学习（Machine Learning），数字信号处理（DSP）和安全性、性能等将是未来的重点。  
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# 安全性改进 #

根据 ARM 的介绍，未来数据的安全性保护将是一个重要的挑战。为此，ARM 在 ARMv9 中将重点改进安全性。ARMv9 中将会引入 ARM 机密计算架构（Arm Confidential Compute Architecture，Arm CCA），Arm CCA 将引入动态创建领域（Realms）的概念。通过 Realms 开发人员可以让使用中的应用程序数据与操作系统及设备中的其它应用程序互相隔离。  
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  Arm 机密计算体系结构（Arm CCA）建立在 Arm TrustZone 的基础上。ARM 内存标记扩展（Memory Tagging Extension，MTE）将成为第一代基于ARMv9-A 的处理器的组成部分。

> 机密计算（Confidential Computing）利用可信执行环境（Trusted Execution Environments，简称 TEE）技术，机密计算使得数据始终保持加密和强隔离状态，从而确保了用户数据的安全和隐私。

下面是 ARM 给出的两个使用 Realms 的示例：  
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此外，介绍中还提及了由 Arm 联合其它 5 家独立安全测试实验室及咨询机构推出的面向物联网(IOT)芯片、软件和设备的 “平台安全架构 (PSA) ” 以及相关认证。  
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# 智能化 #

ARMv9 的另一个重要的改进就是为无处不在的人工智能提供专业的、可扩展的解决方案。根据介绍，ARM 与富士通合作创建了可伸缩矢量扩展（Scalable Vector Extension，SVE）技术，该技术是世界上最快的超级计算机 Fugaku 的核心。 在这项工作的基础上，ARM 为 ARMv9 开发了 SVE2，以在更广泛的应用程序中实现增强的机器学习（ML）和数字信号处理（DSP）功能。  
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  SVE2 增强了 5G 系统、虚拟现实和增强现实，以及在 CPU 上本地运行的 ML 工作负载（如图像处理和智能家居应用程序）的处理能力。在接下来的几年里，除了 MaliTM GPU 和 EthosTM NPU 的 AI 创新外，ARM 还将进一步扩展其技术的 AI 能力，在 CPU 的矩阵乘法方面进行实质性的增强。

# 性能提升 #

ARM 通过升级可扩展矢量扩展（SVE）技术来增强 ARMv9 指令集的性能。计算机可以并行处理的矢量越多，这些矢量越长，计算机的功能就越强大。 在 ARMv8-A 中，矢量的标准长度为 128 位。通过 ARMv9 的 SVE2 升级，芯片设计人员可以选择 128 的倍数（最大2048位）的矢量长度。此外，ARM 正在开发一些技术来提高频率、带宽和缓存大小，并减少内存延迟，以最大化基于ARMv9 的 CPU 的性能。  
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  根据介绍，ARMv9 架构的更新还将让下一代芯片获得 30% 以上的基础性能提升。Arm 的全计算设计方法（[Arm’s Total Compute design methodology][Arm_s Total Compute design methodology]）将通过集中的系统级硬件和软件优化以及用例性能的提高来加速整体计算性能。

除此之外，得益于 ARMv9 架构的全面升级，Mali GPU 将会拥有诸如 VRS 可变帧率渲染、RT 光线追踪等多种高级渲染技术，为移动终端带来可观的游戏性能和体验提升。  
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# 当前 #

此后的相当长一段时间内还不会看到基于 ARMv9 的芯片。ARM 不制造芯片，但会通过创造 IP 来帮助合作伙伴来使用 IP 来构建芯片。目前，ARM 自己的 CUP 核心 IP 中也没有完全应用最新的指令集架构。以 A-Profile 为例如下所示：  
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  注意，如果 CPU 实现了 Armv8.2-A 的所有功能，那么它才能成为 Armv8.2-A CPU。如果除了 Armv8.0-A 的基本功能之外，仅实现 Armv8.2-A 功能的一部分，它将仍然为 Armv8.0-A CPU 而不是 Armv8.2-A CPU。例如上图中，Cortex-A77 实现了 Armv8.2-A 之前的所有功能，但仅实现了Armv8.3-A 和 Armv8.4-A 的某些功能，因此 ISA 版本是 Armv8.2-A CPU。

目前， ARMv9 也仅用于 A-Profile。R-profile 和 M-profile 的最新体系结构是 ARMv8-R 和 ARMv8-M。Armv9-A 的主要特性如下所示：  
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下面是官网给出的 Armv9-A 与 Armv8-A 的一个对比：  
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# 参考 #

1.  Arm Vision Day 当天发布的介绍 ARMv9 的文章：[Arm’s solution to the future needs of AI, security and specialized computing is v9][Arm_s solution to the future needs of AI_ security and specialized computing is v9]
2.  Arm CEO Simon Segars 的一片博文 [《Armv9: The Future of Specialized Compute》][Armv9_ The Future of Specialized Compute]
3.  Arm Vision Day上 发布的一些视频 https://www.arm.com/campaigns/arm-vision。其中，比较有用的就是 The Future of the Arm Architecture。
4.  [ARMv9-A 特性介绍][ARMv9-A]

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[Arm_s Total Compute design methodology]: https://www.arm.com/why-arm/total-compute
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[Arm_s solution to the future needs of AI_ security and specialized computing is v9]: https://www.arm.com/company/news/2021/03/arms-answer-to-the-future-of-ai-armv9-architecture
[Armv9_ The Future of Specialized Compute]: https://www.arm.com/blogs/blueprint/armv9
[ARMv9-A]: https://www.arm.com/why-arm/architecture/cpu