十年磨一劍！Arm新一代Armv9架構(gòu)解析

動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，Arm總是顯得格外活躍，除傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備外，當(dāng)蘋果Macbook Air搭載基于Arm設(shè)計(jì)的M1CPU亮相時(shí)，不少人意識(shí)到或許有必要重新認(rèn)識(shí)一下這個(gè)控制全世界超1300億個(gè)設(shè)備的處理器陣營(yíng)了，而隨著v9架構(gòu)的出現(xiàn)，Arm及其陣營(yíng)再次成為聚光燈下的焦點(diǎn)。

Arm時(shí)隔十年推出v9架構(gòu)

2021年1季度末，英國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司Arm正式宣布推出新一代芯片架構(gòu)Arm v9，這是自十年前Arm v8推出以來，該架構(gòu)的首次重大變革。新的v9架構(gòu)兩大重點(diǎn)是人工智能和安全，預(yù)計(jì)第一批搭載Armv9架構(gòu)的處理器最快在今年年底前發(fā)貨。

Arm首席執(zhí)行官西蒙·塞加斯（Simon Segars）表示，v9架構(gòu)將提高安全性和信任度，并為未來十年的計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定基礎(chǔ)?！爱?dāng)我們展望由人工智能定義的未來時(shí)，我們必須奠定一個(gè)領(lǐng)先的計(jì)算基礎(chǔ)，為應(yīng)對(duì)未來的獨(dú)特挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備，Armv9就是答案。它將處于下一代3000億顆基于Arm的芯片的最前沿，其驅(qū)動(dòng)力是建立在通用計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性、設(shè)計(jì)自由度和可獲得性基礎(chǔ)上的普遍的專業(yè)化、安全和強(qiáng)大的處理需求。”

據(jù)悉，Armv9有三大主要改進(jìn)，即安全性更高，更好的AI性能，以及總體上速度更快。Arm表示，到2020年代中期，將有超過80億臺(tái)語音輔助設(shè)備，90%的應(yīng)用將包含AI元素。Arm與富士通合作創(chuàng)建了可擴(kuò)展矢量擴(kuò)展（SVE），現(xiàn)在SVE2是Armv9的一部分，用于更好的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號(hào)處理。

龐大的Arm生態(tài)

Armv9能夠快速成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)，很大程度上得益于Arm龐大的生態(tài)陣營(yíng)影響力。

根據(jù)Arm最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2020年的最后一個(gè)季度，Arm的芯片合作伙伴共出貨73億顆Arm 架構(gòu)芯片（年增22%），創(chuàng)下出貨量歷史新高，相當(dāng)于每秒出貨超過900顆芯片、每日出貨7，000萬顆芯片。Arm的合作伙伴在2020年總出貨量高達(dá)250億顆Arm架構(gòu)的芯片（年增13%），累計(jì)總數(shù)已超過1，900億。此外，Arm的GPU出貨量累計(jì)超過80億，其中在2020年GPU出貨超過10億，Arm Mali GPU持續(xù)位居全球GPU出貨量榜首。

龐大出貨量的背后是持續(xù)擴(kuò)張的Arm生態(tài)陣營(yíng)，在2020財(cái)年（2020年4月至2021年3月），Arm與104家客戶簽署了162個(gè)授權(quán)協(xié)議，其中有超過一半的授權(quán)對(duì)象為首次與Arm合作的企業(yè)。Arm近期合作的新客戶還包括SEMIFIVE與Telechips。此外，Arm Flexible Access目前已有90家合作伙伴，通過該計(jì)劃，這些合作伙伴可以更簡(jiǎn)易地獲取各項(xiàng)全球領(lǐng)先的Arm IP、工具與支持。

在龐大的生態(tài)陣營(yíng)支持下，Armv9架構(gòu)必然能夠快速落地，進(jìn)而為數(shù)字生活時(shí)代帶來一場(chǎng)全新的變革。

同步更新的Arm Mali GPU套件

視覺體驗(yàn)仍然是消費(fèi)者與設(shè)備交互、并享用設(shè)備的關(guān)鍵，Arm推出面向最廣泛應(yīng)用的多款GPU，搭配全面計(jì)算解決方案中的Armv9CPU，提供卓越的用戶體驗(yàn)。

Mali過去幾年一直是出貨量最大的GPU。新款A(yù)rm Mali-G710是針對(duì)旗艦智能手機(jī)和不斷增長(zhǎng)的Chromebook筆記本市場(chǎng)所推出的高性能GPU，在計(jì)算密集型體驗(yàn)方面（如AAA高保真游戲）的性能提升20%。對(duì)于各種與機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)的任務(wù)（如全新相機(jī)和視頻模式的圖像增強(qiáng)），Mali-G710也帶來了35%的機(jī)器學(xué)習(xí)性能提升。

Arm的互連技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)性能至關(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，如內(nèi)存標(biāo)簽擴(kuò)展（Memory Tagging Extension）等等。

下一代處理器性能大提升

從2011年11月發(fā)布ARMv8開始，ARMv8已經(jīng)走過將近10年時(shí)間。ARMv8架構(gòu)的主要特點(diǎn)是增加對(duì)64位指令集的支持，包括目前性能最強(qiáng)的Cortex-X1/A78，都是基于ARMv8.x指令集打造。ARM在2021年3月31日正式推出ARMv9指令集，在兼容ARMv8的基礎(chǔ)上，提升處理器性能，同時(shí)提升安全性、增強(qiáng)矢量計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)字信號(hào)處理。

在人們最為關(guān)注的性能方面，下一代的Matterhorn架構(gòu)及Makalu架構(gòu)會(huì)保持30%以上的IPC性能提升，加上未來更先進(jìn)工藝帶來的頻率提升，最終CPU性能提升有望達(dá)到40%。

以智能手機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)使用的Cortex-X/A系列為例，X1/A78的性能比16nm Cortex-A72提升2.5倍。ARMv9同時(shí)還將內(nèi)存延遲從150ns降至90ns、頻率從2.6GHz到33GHz、內(nèi)存帶寬從20GB/s提升至60GB/s、并加快緩存的存儲(chǔ)速度等。

ARMv9與性能有關(guān)的重要升級(jí)就是SVE2指令集，SVE最早是ARM與富士通合作的浮點(diǎn)性能擴(kuò)展，TOP500超算富岳就使用SVE指令集SVE2就是第二代SVE浮點(diǎn)指令。與SVE的128位矢量相比，SVE2可以支持128為倍數(shù)、最多2048位運(yùn)算。

因此SVE2可以增強(qiáng)ML機(jī)器學(xué)習(xí)、DSP信號(hào)處理能力，提升未來5G、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及CPU本地運(yùn)行ML的性能，同時(shí)ARM未來還會(huì)繼續(xù)提升AI人工智能性能。ARMv9第三大升級(jí)就在于數(shù)據(jù)安全，全新的CCA機(jī)密計(jì)算體系架構(gòu)基于TrustZone安全技術(shù)，并引入動(dòng)態(tài)域技術(shù)。

未來3000億ARM芯片的基礎(chǔ)

ARM官方稱是10年來最重要的創(chuàng)新，是未來3000億ARM芯片的基礎(chǔ)。

與上一代的ARMv8相比ARMv9處理器將不再局限于移動(dòng)/嵌入式市場(chǎng)，現(xiàn)已經(jīng)擴(kuò)展到PC、HPC高性能計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等新市場(chǎng)，以滿足全球?qū)δ苋找鎻?qiáng)大的安全、人工智能（AI）和無處不在的專用處理的需求。

Amv9架構(gòu)有兩個(gè)核心側(cè)重點(diǎn)：人工智能和安全。ARM表示到21世紀(jì)中葉，將會(huì)有超過80億臺(tái)語音輔助設(shè)備，90%的應(yīng)用將包含AI元素。在安全方面，Armv9會(huì)獲得Arm Confidential Compute Architecture（CCA），在使用時(shí)屏蔽數(shù)據(jù)的訪問，在硬件層面保護(hù)數(shù)據(jù)。此外，還會(huì)有一個(gè)叫做Realms的東西，應(yīng)用程序可以在安全和非安全區(qū)域之外使用。

悄然改變的人類生活應(yīng)用場(chǎng)景

科技正在醫(yī)療保健、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展與生產(chǎn)力提升中扮演越來越重要的角色，Arm的技術(shù)也正被采用在各種多元的應(yīng)用中，給全世界帶來積極的影響。最近的實(shí)例包括：

·Arm與Neocortix公司合作提供Arm 64位計(jì)算的支持，促成了Folding@home與Rosetta@home兩個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目利用數(shù)十億顆Arm架構(gòu)設(shè)備的閑置計(jì)算容量，協(xié)助醫(yī)學(xué)研究人員對(duì)抗新冠肺炎病毒。

·Arm的伙伴Hypergiant公司致力于探索AI技術(shù)的使用，改善可從大氣中移除二氧化碳的藻類生物反應(yīng)器（該Eos生物反應(yīng)器由Arm CPU所賦能）。

·在印度尼西亞的一個(gè)項(xiàng)目中，Rainforest Connection組織與保育人士合作，部署基于Arm CPU與GPU技術(shù)的設(shè)備，監(jiān)聽所在地每一處重型機(jī)器與電鋸的聲音，以打擊非法盜伐。

隨著Armv9架構(gòu)的落地以及5G、AI等前沿新興技術(shù)的融合突破，相信會(huì)有越來越多的人類生活應(yīng)用場(chǎng)景在潛移默化中逐漸改變的。

Arm陣營(yíng)CPU架構(gòu)也進(jìn)入64位時(shí)代

ARM日前明確表示了這代指令集升級(jí)64位的決心，官方聲明中指出2023年ARM所有的大小核架構(gòu)都將采用64位，32位指令屆時(shí)會(huì)被淘汰。至于之前擔(dān)心放棄32位會(huì)導(dǎo)致兼容之類的問題，ARM認(rèn)為64位已經(jīng)是成熟的技術(shù)，進(jìn)入純64位時(shí)代沒問題。

在手機(jī)處理器中，蘋果2013年發(fā)布的iPhone 5s是首個(gè)支持64位的，A7處理器首發(fā)ARM 64位架構(gòu)，之后高通在驍龍810上也支持64位了，安卓5.0之后谷歌也原生支持了64位ARM處理器了。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，今年4月份小米應(yīng)用商店、OPPO軟件商店、vivo應(yīng)用商店、騰訊應(yīng)用寶、百度手機(jī)助手宣布，今后發(fā)布于各應(yīng)用商店的所有應(yīng)用必須有序支持64位Arm架構(gòu)，今年底前全體應(yīng)用及游戲均需按計(jì)劃上傳含有64位構(gòu)建的APK（涵蓋存量應(yīng)用更新及新版本發(fā)布）。按照時(shí)間表，中國(guó)市場(chǎng)所有的移動(dòng)安卓應(yīng)用程序定于2022年8月底前全面普及64位。

快速跟進(jìn)的合作伙伴

面對(duì)未來可期的Armv9，Arm各合作伙伴也是相當(dāng)?shù)姆e極地跟進(jìn)。在5月31日的臺(tái)北電腦展上-ARM CEO Simon Segars公開透露，聯(lián)發(fā)科是Arm的長(zhǎng)期合作伙伴，每年出貨數(shù)億顆Arm芯片，年底前也將推出首款基于Armv9架構(gòu)的新品。聯(lián)發(fā)科則表示Armv9會(huì)給下一代天璣5G產(chǎn)品賦予新的能力，帶來更好的體驗(yàn)。

此外，有業(yè)內(nèi)人士爆料稱高通正在開發(fā)一款代號(hào)為SM8450'Waipio的芯片，將作為驍龍888（SM8350）的繼任者，同樣會(huì)基于Armv9架構(gòu)以及4nm工藝。

隨著上游芯片的出現(xiàn)，相信搭載Armv9架構(gòu)的終端產(chǎn)品也會(huì)快速進(jìn)入市場(chǎng)。

盯上數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的Arm陣營(yíng)

以往Intel和AMD兩大陣營(yíng)在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)擁有絕對(duì)的話語權(quán)，而今天，雖然兩家依舊強(qiáng)大，但Arm陣營(yíng)卻依托Armv9架構(gòu)開始攻城略地。Arm公布了Ne。verse V1和N2服務(wù)器芯片平臺(tái)的最新性能數(shù)據(jù)，其處理能力比上一代N1提高了40%～50%。Neoverse V1平臺(tái)首次支持可伸縮矢量擴(kuò)展（SVE，N2平臺(tái)則率先采用全新Armv9架構(gòu)的平臺(tái)，擁有比N1更高的核心數(shù)、性能和能效。盡管Arm并未直接對(duì)比Neoverse平臺(tái)與英特爾、AMD產(chǎn)品的性能，但從圖中可以看到，Neoverse系列芯片已經(jīng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

基于Neoverse平臺(tái)的新功能，Arm合作伙伴及客戶能更加順利地實(shí)現(xiàn)從云端到邊緣的部署。在云服務(wù)方面，騰訊與Arm持續(xù)合作，騰訊在硬件測(cè)試和軟件支持方面持續(xù)投入，使其在云應(yīng)用上能采用Arm Neoverse技術(shù)，每瓦性能表現(xiàn)出色，軟件部分既支持已編譯和解譯的代碼庫(kù)，也支持為這些代碼庫(kù)提供支撐的微服務(wù)框架。

阿里云在即將上線的基于Arm架構(gòu)ECS實(shí)例上完成了測(cè)試，并在SPECjbb測(cè)試數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出色，通過雙方緊密合作，基于Arm架構(gòu)運(yùn)行的DragonWell JDK性能提高了50%。用戶及開發(fā)者現(xiàn)可到阿里云網(wǎng)站上注冊(cè)，獲取Arm系列實(shí)例的受邀測(cè)試。

除了在主流應(yīng)用用例中，Graviton2和Neoverse也被應(yīng)用于更多專用處理的應(yīng)用場(chǎng)景。例如在EDA方面，Arm獲得了所有主要工具供應(yīng)商的支持，并且詳細(xì)計(jì)劃了Arm如何將EDA的工作負(fù)載移上云端。對(duì)于目前運(yùn)行的各種工作負(fù)載和應(yīng)用程序，Arm正嘗試推出能兼顧高算力和低功耗的計(jì)算解決方案，這對(duì)于主導(dǎo)x86架構(gòu)的服務(wù)器處理器供應(yīng)商英特爾和AMD無疑正造成新的沖擊。

寫在最后：

在公開場(chǎng)合中，Arm高級(jí)副總裁兼終端設(shè)備事業(yè)部總經(jīng)理Paul Williamson表示“我們正致力于將Armv9技術(shù)引入到各個(gè)領(lǐng)域，以系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)最大限度地提高性能。安全的專用處理能力所具備的諸多優(yōu)勢(shì)，意味著基于Arm架構(gòu)的計(jì)算技術(shù)正在構(gòu)建超越智能手機(jī)市場(chǎng)以外的領(lǐng)導(dǎo)地位，借助移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)帶來的巨大規(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?！盇rm全新的全面計(jì)算解決方案采用系統(tǒng)范圍的整體優(yōu)化方法，橫跨硬件中、物理IP、軟件、工具和標(biāo)準(zhǔn)。

全面計(jì)算解決方案也將解鎖整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的新體驗(yàn)，例如，專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)、支持AI功能的交互式應(yīng)用場(chǎng)景，可以使用戶身臨其境觀看電視中豐富的8K內(nèi)容。所有的這一切再加上安全技術(shù)作為基礎(chǔ)，將為未來十年構(gòu)建可信的數(shù)字化服務(wù)。