《全面計(jì)算雄心！一文解構(gòu)“十年磨一劍”的Armv9新架構(gòu)》

近日，在由易維訊主辦的第九屆年度中國(guó)電子ICT媒體論壇暨2021產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)上，安謀科技高級(jí)FAE經(jīng)理鄒偉為業(yè)界深度解讀Arm歷經(jīng)十年打磨才新發(fā)布的針對(duì)不同層次算力需求、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）發(fā)展路徑的全新一代Armv9架構(gòu)，其不僅是Arm架構(gòu)演進(jìn)的又一個(gè)里程碑，也將成為Arm未來(lái)十年及更遠(yuǎn)時(shí)代推進(jìn)行業(yè)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

安謀科技高級(jí)FAE經(jīng)理鄒偉現(xiàn)場(chǎng)演講

Armv9：憑何改變高性能計(jì)算方式？

縱觀半導(dǎo)體設(shè)計(jì)在過(guò)去十多年的發(fā)展，特別是在終端消費(fèi)等領(lǐng)域，算力帶來(lái)的生產(chǎn)力的提升，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)把大量的計(jì)算力放到每一個(gè)消費(fèi)者的手中。與此同時(shí)，傳統(tǒng)依賴于人工采集和分析數(shù)據(jù)的過(guò)程在第五波計(jì)算浪潮中正演變成機(jī)器對(duì)機(jī)器之間的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和服務(wù)。由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要在云端、邊緣側(cè)配置更為強(qiáng)大的算力，并通過(guò)數(shù)據(jù)中心對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、構(gòu)建和決策。

Arm在成為移動(dòng)浪潮主流架構(gòu)之外，已進(jìn)入到邊緣端和云端等新場(chǎng)景，其獨(dú)特的定位可為行業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的安全基礎(chǔ)，同時(shí)確保開(kāi)發(fā)者以最簡(jiǎn)便、快速的方式來(lái)使用Arm的安全技術(shù)。據(jù)鄒偉介紹，截止至2020年底，基于Arm IP的芯片累計(jì)售出1800億顆，涵蓋在各行各業(yè)每一個(gè)角落，每一個(gè)地方。共享的數(shù)據(jù)一定會(huì)有一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)Arm處理器計(jì)算，無(wú)論是數(shù)據(jù)采集的IoT設(shè)備，還是日常使用的手機(jī)、智能電腦，甚至服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

據(jù)Arm預(yù)測(cè)，未來(lái)十年合作伙伴基于Arm芯片的出貨量將超過(guò)3000億，100%的共享數(shù)據(jù)將在Arm芯片上進(jìn)行處理，無(wú)論是在終端還是在云端。因此，亟需一款全新的處理器架構(gòu)在未來(lái)十年內(nèi)改變計(jì)算的方式，以提供更高的性能、改善安全功能并增強(qiáng)工作負(fù)載功能。

鄒偉現(xiàn)場(chǎng)介紹全新Armv9架構(gòu)特性

“為此，Arm正式推出了面向未來(lái)十年的新一代架構(gòu)Armv9，是在目前已經(jīng)廣泛使用的Armv8的基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用AArch64作為基準(zhǔn)指令集，保持了向下兼容性，在此基礎(chǔ)上分別在安全性、AI與ML以及可伸縮矢量擴(kuò)展和DSP上做出改進(jìn)，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍?！编u偉表示，“Armv9構(gòu)架實(shí)現(xiàn)的處理器可用于移動(dòng)計(jì)算、HPC高性能計(jì)算、汽車(chē)和AI等市場(chǎng)等，以滿足全球?qū)δ苋找鎻?qiáng)大的安全、人工智能和專(zhuān)用處理的需求，這意味著基于 Arm 架構(gòu)的計(jì)算技術(shù)也將在智能手機(jī)以外的市場(chǎng)上獲得領(lǐng)導(dǎo)地位，借助移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的巨大規(guī)模優(yōu)勢(shì)，在筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)、云等應(yīng)用領(lǐng)域打造領(lǐng)先的解決方案?！?/p>

Arm全面計(jì)算解決方案賦能終極數(shù)字體驗(yàn)

盡管近些年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)風(fēng)云變幻，但提供先進(jìn)算力始終是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本目標(biāo)。從這個(gè)角度來(lái)看對(duì)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)又將面臨哪些挑戰(zhàn)呢？鄒偉分析道，首先是CPU的負(fù)載越來(lái)越復(fù)雜，多樣化不同的場(chǎng)景中會(huì)需求不一樣，每個(gè)環(huán)節(jié)面臨的挑戰(zhàn)都不一樣；而摩爾定律雖然減緩，但市場(chǎng)對(duì)性能、功耗的追求依然沒(méi)有停歇，這也是一大挑戰(zhàn)；此外，高昂的掩膜價(jià)格以及生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一款5納米的芯片成本會(huì)非常高、生產(chǎn)周期又非常長(zhǎng)?！拔覀兿Ｍ酒O(shè)計(jì)不僅覆蓋當(dāng)前的應(yīng)用，也能覆蓋以后的應(yīng)用，以獲得更長(zhǎng)的生命周期，這要求我們通過(guò)架構(gòu)、設(shè)計(jì)、IP來(lái)應(yīng)對(duì)這些客戶遇到的挑戰(zhàn)。”他強(qiáng)調(diào)道。

如果賦能終極的數(shù)字體驗(yàn)是Arm構(gòu)建未來(lái)計(jì)算愿景的驅(qū)動(dòng)力，那Arm提出最新全面計(jì)算解決方案則是開(kāi)啟Armv9時(shí)代未來(lái)十年之旅的第一步。Arm全面計(jì)算解決方案采用系統(tǒng)范圍的整體優(yōu)化方法，橫跨硬件IP、物理IP、軟件、工具和標(biāo)準(zhǔn)，為Arm的合作伙伴提供更為廣泛的選擇，滿足所有終端細(xì)分市場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景和成本區(qū)間，讓他們能夠滿懷信心地通過(guò)最新的技術(shù)，將高性能的產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。

作為Arm全面計(jì)算解決方案的基石，全新的Arm Cortex CPU包括Arm目前性能最強(qiáng)大的Arm Cortex-X2、首款基于Armv9架構(gòu)的大核CPU Arm Cortex-A710以及Arm過(guò)去四年來(lái)推出的首款高效率小核Arm Cortex-A510和Armv9-A CPU 群集。為支持生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于性能的需求，Arm的全球合作伙伴正在努力確保所有app都將在今年年底前支持64位。正如鄒偉在演講中所述，算力多樣化時(shí)代，Arm認(rèn)為CPU的算力水準(zhǔn)依然非常重要，它搭建了數(shù)字未來(lái)的基礎(chǔ)底座。

而在每代CPU性能動(dòng)輒20-30%的大幅提升背后，是Arm對(duì)頻率、帶寬、時(shí)延、緩存、工藝水平等各項(xiàng)指標(biāo)一點(diǎn)點(diǎn)提升的不懈追求，在計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的創(chuàng)新上一直牽引著行業(yè)的進(jìn)展。因此除了提升CPU性能之外，Arm全面計(jì)算解決方案同樣希望做系統(tǒng)級(jí)的提升，為客戶帶去更好的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。

此外，視覺(jué)體驗(yàn)是消費(fèi)者與設(shè)備交互、并享用設(shè)備的關(guān)鍵。據(jù)悉，最新的Arm的Mali系列GPU正搭配全面計(jì)算解決方案中的Armv9 CPU，可以提供卓越的用戶體驗(yàn)。據(jù)鄒偉透露，未來(lái)Mali系列GPU也將持續(xù)超越大家的期待，帶來(lái)光線追蹤技術(shù)、可變速率著色VSR技術(shù)以及其他高級(jí)渲染技術(shù)等。

Arm 的互連技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)性能同樣至關(guān)重要。最新的CoreLink CI-700一致性互連技術(shù)和CoreLink NI-700片上網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)與Arm CPU、GPU和NPU IP無(wú)縫搭配，可跨SoC解決方案增強(qiáng)系統(tǒng)性能。CoreLink CI-700和CoreLink NI-700對(duì)新的Armv9-A功能提供硬件級(jí)支持，并支持更高的安全性、改進(jìn)的帶寬和延遲。

引入全新安全性功能，守護(hù)數(shù)據(jù)核心資產(chǎn)

隨著全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備激增，芯片的安全性日益重要。對(duì)安全性的根本需求是重新思考如何處理安全性，而Armv9架構(gòu)則通過(guò)引入Arm機(jī)密計(jì)算體系結(jié)構(gòu)（Confidential Compute Architecture， CCA）來(lái)重新設(shè)計(jì)安全應(yīng)用程序的工作方式。機(jī)密計(jì)算通過(guò)打造基于硬件的安全運(yùn)行環(huán)境來(lái)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。

鄒偉進(jìn)一步解釋道，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，是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼的動(dòng)態(tài)安全區(qū)域，與操作系統(tǒng)或管理程序的特權(quán)模式分離，以實(shí)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(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(wú)論它們正被使用、閑置或正在傳輸中。Arm機(jī)密計(jì)算體系結(jié)構(gòu)建立在Arm的TrustZone技術(shù)之上，是軟件容器的硬件版本，允許應(yīng)用程序輕松地在不同的系統(tǒng)上運(yùn)行。例如在非安全區(qū)的運(yùn)行的應(yīng)用程序可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)機(jī)密領(lǐng)域，以保護(hù)自己的算法或數(shù)據(jù)。

“Arm還與合作伙伴共同開(kāi)發(fā)平臺(tái)安全架構(gòu)PSA，作為一套標(biāo)準(zhǔn)的威脅模型、措施及時(shí)間，提供給終端設(shè)計(jì)人員使用，它與分級(jí)認(rèn)證相結(jié)合后可以讓此設(shè)備的采購(gòu)者對(duì)資產(chǎn)的安全性更放心。例如在國(guó)內(nèi)我們便和中國(guó)信息通信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合，以支持基于PSA框架的安全物聯(lián)網(wǎng)解決方案大規(guī)模部署。” 鄒偉補(bǔ)充道。

打造新計(jì)算時(shí)代的大計(jì)算平臺(tái)

除了安全性之外，機(jī)器學(xué)習(xí)也被視為Armv9的重要組成部分，因?yàn)樵谖磥?lái)幾年中越來(lái)越多的機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載將變得司空見(jiàn)慣，在機(jī)器學(xué)習(xí)方面Armv9架構(gòu)支持BFloat16格式，從而更好地去支撐Int8計(jì)算和BFloat16？6？2的機(jī)器學(xué)習(xí)；可伸縮矢量擴(kuò)展2（SVE2）的引入，則能夠更好地幫助開(kāi)發(fā)者對(duì)高階的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在處理 5G、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及圖像和語(yǔ)音識(shí)別等任務(wù)負(fù)載時(shí)具有很大增益。

放眼瞬息萬(wàn)變的數(shù)字世界，智能終端不僅需要具備靈活性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，同時(shí)還要滿足AI/ML的工作負(fù)載需求，這些挑戰(zhàn)正推動(dòng)更安全和專(zhuān)用處理的發(fā)展，也是打開(kāi)新市場(chǎng)、抓住新機(jī)遇的關(guān)鍵。Armv9架構(gòu)的發(fā)布與全面計(jì)算解決方案以安全技術(shù)作為基礎(chǔ)，將解鎖整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的新體驗(yàn)，為未來(lái)十年構(gòu)建可信的數(shù)字化服務(wù)。

鄒偉總結(jié)到：“新一代Armv9架構(gòu)將賦能開(kāi)發(fā)者通過(guò)彌合軟硬件之間的關(guān)鍵差距，構(gòu)建和編程未來(lái)的可信計(jì)算平臺(tái)，幫助我們的合作伙伴在更快的上市時(shí)間和成本控制之間取得平衡。安謀中國(guó)則致力于從技術(shù)到生態(tài)全面推動(dòng)算力革命，并將在自研架構(gòu)上加大投入，持續(xù)攜手生態(tài)合作伙伴，依托領(lǐng)先的Arm全球生態(tài)深入做強(qiáng)本土研發(fā)，持續(xù)賦能本土產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的企業(yè)戰(zhàn)略?！?/p>