ARMv9架構能否解決中國“缺芯”之急?

近日，ARM正式宣布推出ARMv9架構。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。

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、深度學習等新市場，以滿足全球對功能日益強大的安全、人工智能和專用處理的需求。

ARMv9架構的發(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，十年后的今天，ARMv9立足于ARMv8的成功基礎，將成為擔綱未來十年的主流計算架構。那么，它和ARMv8架構相比有哪些不同呢？

據(jù)ARM高級副總裁、首席架構師兼技術院士Richard Grisenthwaite介紹，ARMv9繼續(xù)使用AArch64作為基準指令集，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（機器學習）以及改進的矢量和DSP功能。

亮點一：安全

為了解決當今最大的技術挑戰(zhàn)——保護全球數(shù)據(jù)安全，ARMv9架構路線圖引入了ARM機密計算架構（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，甚至不受特權軟件的影響。

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

ARM CCA還引入動態(tài)創(chuàng)建機密領域（Realms）的概念，機密領域面向所有應用，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)保護數(shù)據(jù)安全的目的。

例如，在商業(yè)應用中，機密領域可以保護系統(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。在云中，這也意味著保護物理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)的內存標簽擴展（MTE）技術，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用內存中的數(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”（負責從內存中調用數(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機器學習的優(yōu)化

機器學習是ARMv9的重要組成部分，ARM認為在未來幾年中，越來越多的機器學習工作負載將變得司空見慣。

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，并驅動了世界上最快的超級計算機“富岳”。在此基礎上，ARM為ARMv9開發(fā)了SVE2，以便在更廣泛的應用中實現(xiàn)增強的機器學習和數(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計上運行，這對于ARM設計從物聯(lián)網(wǎng)、移動到數(shù)據(jù)中心的CPU而言至關重要。在保留ARM體系結構的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，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)實以及機器學習工作負載的處理能力，如：圖像處理和智能家居應用。

未來幾年，ARM將進一步擴展其技術的AI能力，除了在其Mali GPU和Ethos NPU中持續(xù)進行AI創(chuàng)新外，還將大幅增強CPU內的矩陣乘法。

亮點三：通過系統(tǒng)設計實現(xiàn)性能最大化

在過去的五年，ARM技術每年都以超過業(yè)界的速度提升CPU性能。ARM在新一代架構ARMv9上將保持這個速度，預計未來兩代移動和基礎設施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)界標準評測工具來衡量，30%的算力提升完全是憑借于本身架構，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計原則應用在包含汽車、客戶端、基礎設施和物聯(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)多項技術以提高頻率、帶寬、緩存，并降低內存延遲，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領域最成功的架構當屬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架構在高性能計算領域取得了一些進展，包括上面提到的“富岳”超級計算機，以及推出采用ARM架構的多款服務器。

去年，蘋果基于ARM架構推出M1處理器，并成功應用在Macbook Pro電腦上。此外，高通、微軟也在布局基于ARM架構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年內達成?！?/p>

據(jù)媒體報道，目前ARM架構的芯片出貨已經(jīng)超過1800億顆，ARMv9架構會成為實現(xiàn)ARM芯片3000億顆芯片出貨的先驅。

沒有人能準確預估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)勢領域并非易事。

華為能否獲得ARMv9授權？

不過，相比于ARMv9到底更新了哪些功能，國內關注更多的還是華為能否獲得ARMv9的授權。

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

雖然華為掌握著ARMv8架構，但沒有最新構架的支持，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的中國企業(yè)的問題，ARM的官方回復是：

“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部門，我們將繼續(xù)遵守美國商務部針對華為及其附屬公司海思的指導方針?！?/p>

細品這番發(fā)言，ARM的態(tài)度實在是模棱兩可：

ARM官方?jīng)]有說任何關于ARMv9可以授權給華為的事情。

第二，從ARM官網(wǎng)上可以看到，谷歌、英偉達、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，其實還是一個未知數(shù)。

另一方面，即使華為得到v9的授權，但芯片制造依然是一個大問題。

同時，國內業(yè)界也在擔憂，在ARM新架構之下，快速進軍PC和服務器業(yè)務，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。
? ? ? 責任編輯:tzh