Armv8架構(gòu)和Armv9架構(gòu)的區(qū)別分析

?自Arm在2011年10月首次發(fā)布Armv8架構(gòu)以來，已經(jīng)過去了近十年的時(shí)間。這對(duì)Arm來說是一個(gè)相當(dāng)可觀的十年，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，他們的指令集架構(gòu)受到移動(dòng)市場(chǎng)和服務(wù)器市場(chǎng)的高度關(guān)注，并鉚足勁在包括筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)設(shè)備市場(chǎng)發(fā)力。過去多年里，Arm對(duì)ISA進(jìn)行了改進(jìn)，也對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種更新和擴(kuò)展。當(dāng)中一些可能很重要，有些可能也是一瞥而過。

近日，作為Arm的Vision Day活動(dòng)的一部分，該公司正式發(fā)布了該公司的新一代Armv9架構(gòu)的首個(gè)細(xì)節(jié)，為Arm未來十年內(nèi)成為下一個(gè)3000億芯片的計(jì)算平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

讀者可能會(huì)問的一個(gè)大問題是，Armv9與Armv8究竟有何不同，能讓架構(gòu)獲得如此大的提升。確實(shí)，從純粹的ISA角度來看，v9可能不像v8相比v7那樣實(shí)現(xiàn)根本性的跳躍，后者引入了AArch64，一個(gè)完全不同的執(zhí)行模式和指令集，該指令集與AArch32相比具有更大的微體系結(jié)構(gòu)分支，例如擴(kuò)展寄存器，64位虛擬地址空間和更多改進(jìn)。 ? 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(kuò)展，以保證architecture numbering的增加，并且允許Arm不僅可以獲得對(duì)AArch64進(jìn)行某種軟件重新基準(zhǔn)化v9的新功能，還能保持我們多年來在v8上獲得的擴(kuò)展。 ? Arm認(rèn)為新架構(gòu)Armv9有三個(gè)主要支柱，即安全性、AI以及改進(jìn)的矢量和DSP功能。對(duì)于v9，安全性是一個(gè)非常重要的主題，我們將深入探討新擴(kuò)展和功能的新細(xì)節(jié)，但是首先談到的DSP和AI功能應(yīng)該很簡(jiǎn)單。 ?

新的Armv9兼容CPU所承諾的最大的新功能可能是開發(fā)人員和用戶可以立即看到的——SVE2作為NEON的后繼產(chǎn)品。 ? 可伸縮矢量擴(kuò)展（SVE）的于2016年首次亮相，并首次在富士通的A64FX CPU內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，該芯片已為日本排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)Fukagu提供支持。SVE的問題在于，新的可變矢量長(zhǎng)度SIMD指令集的第一次迭代的范圍相當(dāng)有限，并且更多地針對(duì)HPC工作負(fù)載，缺少了許多仍由NEON涵蓋的更通用的指令。 ? SVE2于2019年4月發(fā)布，旨在通過用所需指令補(bǔ)充新的可擴(kuò)展SIMD指令集來解決此問題，以服務(wù)于類似DSP等目前仍在使用NEON的工作負(fù)載。 ?

除了增加的各種現(xiàn)代SIMD功能外，SVE和SVE2的優(yōu)勢(shì)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(yùn)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(gè)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(gè)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(jì)上運(yùn)行，這對(duì)于Arm設(shè)計(jì)從物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)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(shí)，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(kuò)展。

機(jī)器學(xué)習(xí)也被視為Armv9的重要組成部分，因?yàn)锳rm認(rèn)為在未來幾年中，越來越多的ML工作負(fù)載將變得司空見慣，當(dāng)中包括了對(duì)性能或電源效率有至關(guān)重要要求的場(chǎng)景中。那就讓在專用加速器上運(yùn)行ML工作負(fù)載變成長(zhǎng)久的需要，與此同時(shí)，我們還會(huì)繼續(xù)在CPU上運(yùn)行較小范圍的ML工作負(fù)載。 ? 矩陣乘法指令（Matrix multiplication instructions ）是此處的關(guān)鍵，它將代表生態(tài)系統(tǒng)中將更大范圍采用v9 CPU作為基本功能所邁出的重要一步。 ? 通常，我認(rèn)為SVE2可能是保證升級(jí)到v9的最重要因素，因?yàn)樗歉_定的ISA功能，可以在日常使用中與v8 CPU區(qū)別開來，并且可以保證軟件生態(tài)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，這與現(xiàn)有的v8堆棧有所不同。對(duì)于服務(wù)器領(lǐng)域的Arm來說，這實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)相當(dāng)大的問題，因?yàn)檐浖鷳B(tài)系統(tǒng)仍在基于v8.0的軟件包基礎(chǔ)上，不幸的是，該軟件包缺少了最重要的v8.1大型系統(tǒng)擴(kuò)展。 ? 使整個(gè)軟件生態(tài)系統(tǒng)向前發(fā)展，并假設(shè)新的v9硬件具有新的體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展功能，這將有助于推動(dòng)事情發(fā)展，并可能解決某些當(dāng)前情況。 ? 但是，v9不僅涉及SVE2和新指令，它還非常注重安全性，在安全性方面我們將看到一些更根本的變化。 ?

介紹機(jī)密的計(jì)算架構(gòu)

在過去的幾年中，安全性和硬件安全性漏洞已成為芯片行業(yè)的頭等大事，Spectre，Meltdown等漏洞的出現(xiàn)及其所有同級(jí)邊信道攻擊都表明，重新思考如何保證安全成為了一個(gè)基本需求。Arm希望用來解決這一總體問題的方法是通過引入Arm機(jī)密計(jì)算體系結(jié)構(gòu)（Arm Confidential Compute Architecture：CAA）來重新設(shè)計(jì)安全應(yīng)用程序的工作方式。

在繼續(xù)之前，我想提箱一下，今天的披露僅僅是對(duì)新CCA運(yùn)作方式的高層次解釋，Arm說，有關(guān)新安全機(jī)制的確切工作原理的更多細(xì)節(jié)將在今年夏天的晚些時(shí)候公布。

CCA的目標(biāo)是從當(dāng)前的軟件堆棧情況中獲得更大的收益，在當(dāng)前的軟件堆棧情況下，在設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序必須固有地信任它們所運(yùn)行的操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)管理程序。傳統(tǒng)的安全模型是基于以下事實(shí)建立的：更高特權(quán)的軟件層被允許查看較低層的執(zhí)行，然而當(dāng)操作系統(tǒng)或系統(tǒng)管理程序被以任何方式損害時(shí)，這就可能成為了一個(gè)問題。 ? CCA引入了動(dòng)態(tài)創(chuàng)建““realms”的新概念，可以將其視為對(duì)OS或虛擬機(jī)管理程序完全不透明的安全容器化執(zhí)行環(huán)境。系統(tǒng)管理程序?qū)⑷匀淮嬖冢珒H負(fù)責(zé)調(diào)度和資源分配。而“realm”將由稱為“ealm manager”的新實(shí)體管理，其被認(rèn)為是一段新的代碼，大致大小約為hypervisor的1/10。 ? realm內(nèi)的應(yīng)用程序?qū)⒛軌颉白C明”領(lǐng)域管理器以確定其是否可信任，這對(duì)于傳統(tǒng)的虛擬機(jī)管理程序而言是不可能的。 ?

? Arm并沒有深入探討究竟是什么造成了realm與操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)管理程序的非安全世界之間的這種隔離，但聽起來確實(shí)像硬件支持的地址空間，但它們無法相互交互。

使用realms的優(yōu)勢(shì)在于，它極大地減少了設(shè)備上運(yùn)行的給定應(yīng)用程序的信任鏈，并且OS對(duì)安全性問題變得越來越透明。與當(dāng)今需要企業(yè)或企業(yè)使用帶有授權(quán)軟件堆棧的專用設(shè)備的情況相反，需要監(jiān)督控制的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序?qū)⒛軌蛟谌魏卧O(shè)備上運(yùn)行。

MTE（memory tagging extensions）并不是v9的新功能，而是隨v8.5一起引入的，MTE或內(nèi)存標(biāo)記擴(kuò)展旨在幫助解決世界軟件中兩個(gè)最持久的安全問題。緩沖區(qū)溢出（Buffers overflows）和無用后使用（use-after-free）是持續(xù)的軟件設(shè)計(jì)問題，在過去的50年中，這些問題一直是軟件設(shè)計(jì)的一部分，并且可能需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間才能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別或解決。MTE旨在通過在分配時(shí)標(biāo)記指針并在使用時(shí)進(jìn)行檢查來幫助識(shí)別此類問題。 ?

未來的Arm CPU路線圖

這與v9沒有直接關(guān)系，但是與即將到來的v9設(shè)計(jì)的技術(shù)路線圖緊密相關(guān)，Arm還談到了有關(guān)他們?cè)谖磥?年中對(duì)v9設(shè)計(jì)的預(yù)期性能的一些觀點(diǎn)。 ?

Arm談到了移動(dòng)市場(chǎng)在今年如何將帶有X1的設(shè)備性能提升了2.4倍（此處我們僅指ISO流程設(shè)計(jì)的IPC），該性能是幾年前推出的Cortex-A73的兩倍。 ? 有趣的是，Arm還談到了Neoverse V1設(shè)計(jì)及其如何達(dá)到A72類似設(shè)計(jì)性能的2.4倍，并透露他們期待著他今年晚些時(shí)候發(fā)布的首批V1設(shè)備。 ? 對(duì)于代號(hào)為“ Matterhorn”和“ Makalu”的下一代移動(dòng)IP內(nèi)核，該公司公開了這兩代產(chǎn)品的合計(jì)預(yù)期IPC增益為30％，其中不包括SoC設(shè)計(jì)人員可以獲得的頻率或任何其他其他性能增益。這實(shí)際上代表著這兩種新設(shè)計(jì)的世代增加了14％，并且如幻燈片中的性能曲線所示，這表明相對(duì)于自A76以來Arm在過去幾年所管理的工作而言，改進(jìn)的步伐正在放緩。不過，該公司指出，進(jìn)步速度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)平均水平。但潭門也坦言，這被一些行業(yè)參與者拖累了。 ?

Arm還提供了一張很有意思的幻燈片，該幻燈片旨在關(guān)注系統(tǒng)側(cè)對(duì)性能的影響，而不僅僅是CPU IP性能。從這里提供的一些數(shù)據(jù)可以看到，例如每5ns的內(nèi)存延遲中有1％的性能，這是我們現(xiàn)在已經(jīng)廣泛討論了幾代的數(shù)字，但是Arm在這里還指出，排除了是否通過改善內(nèi)存路徑，增加緩存或優(yōu)化頻率功能來改善實(shí)現(xiàn)的其他各個(gè)方面，他們可以使用整整一代的CPU性能提升，我認(rèn)為這是對(duì)SoC供應(yīng)商當(dāng)前保守方法的一種評(píng)價(jià)，這些方法沒有充分利用X1內(nèi)核的預(yù)期性能余量，并且隨后也未達(dá)到新內(nèi)核的預(yù)期性能預(yù)測(cè)。

Arm繼續(xù)將CPU視為未來最通用的計(jì)算模塊。盡管專用的加速器或GPU將會(huì)占有一席之地，但它們很難解決一些重要問題，例如可編程性，保護(hù)性，普遍性（本質(zhì)上是在任何設(shè)備上運(yùn)行它們的能力）以及經(jīng)過驗(yàn)證的正常工作的能力。當(dāng)前，計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)在運(yùn)行方式上極為分散，不僅設(shè)備類型不同，而且設(shè)備供應(yīng)商和操作系統(tǒng)也不同。 ?

SVE2和Matrix乘法可以極大地簡(jiǎn)化軟件生態(tài)系統(tǒng)，并允許計(jì)算工作負(fù)載以更統(tǒng)一的方法向前邁進(jìn)，該方法將來將可以在任何設(shè)備上運(yùn)行。

最后，Arm還分享了有關(guān)Mali GPU未來的新信息，并透露該公司正在開發(fā)VRS等新技術(shù)，尤其是Ray Tracing。這一點(diǎn)令人非常令人驚訝，也表明AMD和Nvidia引入RT推動(dòng)的臺(tái)式機(jī)和控制臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)也有望將移動(dòng)GPU生態(tài)系統(tǒng)推向RT。 ?

Armv9設(shè)計(jì)即將在2022年初面世

今天的公告以一種非常高級(jí)的形式出現(xiàn)，我們希望Arm在接下來的幾個(gè)月中，在公司通常的年度技術(shù)披露中，更多地談?wù)揂rmv9的各種細(xì)節(jié)和新功能，例如CCA。 ? 總的來說，Armv9似乎是更基本的ISA轉(zhuǎn)變（可以看作SVE2）與軟件生態(tài)系統(tǒng)的總體重新基準(zhǔn)的結(jié)合，以匯總v8擴(kuò)展的最后十年，并為下一個(gè)十年奠定基礎(chǔ)Arm體系結(jié)構(gòu)。 ? Arm于去年下半年已經(jīng)談?wù)撨^Neoverse V1和N2，我確實(shí)希望N2至少最終是基于v9而設(shè)計(jì)發(fā)布的。Arm進(jìn)一步透露，更多基于Armv9的 CPU設(shè)計(jì)（可能是移動(dòng)端Cortex-A78和X1的后續(xù)產(chǎn)品）將于今年推出，而新的CPU可能已經(jīng)被通常的SoC供應(yīng)商所采用，并且有望成為在2022年初在商用設(shè)備中出現(xiàn)。 ?

編輯：黃飛

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