10年來最大更新 ARM公布Armv9架構細節！！華為可用？
2021-03-31 08:45:44 EETOP編譯
自 2011 年 10 月 Arm 首次公布 Armv8架構以來，已經有近 10 年的時間了，這是計算領域相當多變的10 年，因為指令集架構通過移動領域到服務器領域的應用日益廣泛，如今已開始在筆記本電腦和即將到來的臺式機等消費設備市場上普及。
這些年來，Arm 對 ISA 進行了各種更新和擴展，其中一些重要的內容，有些也許很容易被忽略。但不管如何改動，都是基于ArmV8架構基礎之上的。所以，大家也都在翹首等待Arm最新的ArmV9架構的到來。
今天，作為Arm的Vision Day活動的一部分，該公司終于宣布了全新Armv9架構的首個細節，為Arm公司希望在未來十年成為下一個3000億芯片的計算平臺奠定基礎。
Armv9 與 Armv8 到底有多大區別，才會在 ISA 的命名上有如此大的跳躍？
讀者可能會問自己一個最大的問題，那就是Armv9與Armv8到底有什么區別，才會在ISA的命名上有如此大的跳躍。說實話，單純從ISA的角度來看，v9可能并不像v8比v7那樣是一個根本性的跳躍，v8曾用Arch64引入了完全不同的執行模式和指令集，而Arch64比Arch32有更大的微架構影響，比如擴展寄存器、64位虛擬地址空間等許多改進。
Armv9延續了 AArch64 作為基準指令集的使用，然而在功能上增加了一些非常重要的擴展，值得在架構編號上做一個增量，可能讓 Arm 也實現了一種軟件的重新壘砌，不僅是新的 v9 功能，也包括我們這些年看到的各種 v8 擴展的發布。
EETOP了解到，Armv9 擁有三大新支柱，Arm 認為新架構的主要目標是：安全、AI 以及改進矢量擴展和 DSP 能力。安全性是 v9 的一個非常大的話題，我們將更深入地討論新的擴展和特性的新細節，但首先應該直接了解DSP和AI特性。
新的Armv9兼容CPU所承諾的最大的新功能可能是開發人員和用戶可以立即看到的，它是SVE2作為NEON的后繼產品的基礎。
可擴展矢量擴展(Scalable Vector Extensions，簡稱SVE)的首次實現是在2016年宣布的，并首次在富士通的A64FX CPU內核中實現，目前正用于為日本世界第一的超級計算機Fukagu。。SVE的問題在于，這個新的可變向量長度 SIMD 指令集的首次迭代范圍相當有限，而且更多的是針對 HPC 工作負載，缺少了許多通用性較強的指令，而這些指令仍然被 NEON 所覆蓋。
SVE2 早在 2019 年 4 月就公布了，希望通過補充新的可擴展 SIMD 指令集所需的指令來解決這個問題，以服務于目前仍在使用 NEON（指 128 位 SIMD 單指令多數據擴展結構）的更多樣的 DSP 類工作負載。
SVE 和 SVE2 除了增加各種現代 SIMD（單指令多數據）能力之外，好處在于它們的可變向量大小，從 128b 到 2048b 不等，允許可變 128b 粒度的向量，而不管實際硬件運行在什么地方。純粹從矢量處理和編程的角度來看，這意味著軟件開發者只需要編譯一次代碼，如果未來 CPU 會出現比如原生 512b 的SIMD 執行流水線，代碼就已經可以利用單位的全部寬度了。
另外，同樣的代碼也能在更保守的設計上運行，并具有更低的硬件執行寬度能力，這對 Arm 公司來說非常重要，因為他們設計了從物聯網、移動設備到數據中心的 CPU。此外，它還能在 Arm 架構的 32b 編碼空間內完成所有這些工作，而在 x86 上的其他實現則必須根據向量大小增加新的擴展和指令。
機器學習也被視為Armv9的重要組成部分，因為Arm認為未來幾年越來越多的ML工作負載將變得普遍。在專用加速器上運行ML工作負載自然仍將是性能或能效關鍵的任何要求，然而，仍將有大量新的較小范圍的ML工作負載將在CPU上運行。
矩陣乘法指令是這里的關鍵，并將代表著在整個生態系統中看到更大規模采用的重要一步，作為 v9 CPU 的基礎功能。
一般來說，SVE2 可能是保證跳轉到 v9 命名法的最重要因素，因為它是一個更明確的 ISA 功能，在日常使用中區別于 v8 CPU，這將保證軟件生態系統去實際分化現有的 v8 堆棧。這其實已經成為Arm在服務器領域的一個相當大的問題，因為軟件生態系統仍然是以v8.0為基礎的軟件包，可惜缺少了最重要的v8.1大系統擴展。
讓整個軟件生態系統向前發展，并且能夠假設新的v9硬件具有新架構擴展的能力，這將有助于推動事情的發展，可能會解決目前的一些情況。
然而v9不僅僅是SVE2和新的指令，它還有一個非常大的重點就是安全，在這里我們會看到一些比較徹底的變化。
具有保密功能的計算架構
在過去的幾年中，我們已經看到安全性和硬件安全性漏洞已成為新聞的頭等大事，例如Spectre，Meltdown等許多漏洞，以及它們所有同級的側信道攻擊都表明，對安全性的根本需求是重新思考如何處理安全性。Arm希望解決這一總體問題的一種方法是通過引入Arm機密計算體系結構來重新設計安全應用程序的工作方式。
在繼續之前，先提醒一下，今天的披露僅僅是對新CCA運作方式的高層解釋，Arm表示，有關新安全機制的確切工作原理的更多細節將在今年夏天晚些時候公布。
CCA的目標是從當前的軟件堆棧情況中獲得更大的收益，在當前的軟件堆棧情況下，在設備上運行的應用程序必須固有地信任它們所運行的操作系統和虛擬機管理程序。傳統的安全模型是基于以下事實建立的：更高特權的軟件層被允許并能夠查看較低層軟件的執行情況，，然而當操作系統或系統管理程序被以任何方式損害時，這就可能成為了一個問題。
CCA引入了動態創建““realms”的新概念，可以將其視為對OS或虛擬機管理程序完全不透明的安全容器化執行環境。系統管理程序將仍然存在，但僅負責調度和資源分配。而“realm”將由稱為“ealm manager”的新實體管理，其被認為是一段新的代碼，大約只有管理程序的1/10大小。
realm內的應用程序將能夠“證明”realm管理器以確定其是否可信任，這對于傳統的虛擬機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與操作系統和虛擬機管理程序的非安全世界之間的這種隔離，但聽起來確實像硬件支持的地址空間，它們無法相互交互。
使用領域的優勢在于，它極大地減少了設備上運行的給定應用程序的信任鏈，并且OS對安全性問題變得越來越透明。與當今需要企業或企業使用帶有授權軟件堆棧的專用設備的情況相反，需要監督控制的關鍵任務應用程序將能夠在任何設備上運行。
MTE并不是v9的新功能，而是隨v8.5一起引入的，MTE或內存標簽擴展旨在幫助解決全球軟件中兩個最持久的安全問題。緩沖區溢出和無用后使用是持續的軟件設計問題，在過去的50年中，這些問題一直是軟件設計的一部分，要識別或解決它們可能要花費數年時間。MTE旨在通過在分配時標記指針并在使用時進行檢查來幫助識別此類問題。
未來 Arm CPU路線圖
雖然這與v9沒有直接關系，但是與即將到來的v9設計的技術路線圖緊密相關，Arm還談到了有關他們在未來2年中對v9設計的預期性能的一些觀點。
Arm表示，與幾年前2016年的Cortex-A73相比，移動領域今年的X1設備性能提升了2.4倍（我們這里說的是純ISO進程設計的IPC）。
有趣的是，Arm還談到了Neoverse V1設計，以及他們如何實現2.4倍于A72級設計的性能，并披露他們預計今年晚些時候將發布第一批V1設備。
對于代號為Matterhorn和Makalu的下一代移動IP核，Arm披露這兩代產品預計IPC總增益將達到30%，不包括SoC設計人員可能達到的頻率或任何其他額外性能增益。這實際上代表了這兩款新設計的14%的代際增長，正如幻燈片中的性能曲線所示，這表明相對于Arm在A76之后的幾年里所做的改進正在放緩。盡管如此，該公司表示，發展速度仍然遠遠超過行業平均水平。
Arm還提供了一張很有意思的PPT，該PPT旨在關注系統側對性能的影響，而不僅僅是CPU IP性能。從這里提供的一些數據可以看到，例如每5ns的內存延遲中有1％的性能，但Arm在這里也指出，如果專注于通過改善內存路徑、增加緩存或優化頻率能力來改善實現的其他各方面，CPU的性能可以被壓榨出整整一代。我認為這是對目前SoC廠商保守做法的隱晦抨擊，他們沒有充分利用X1核心的預期性能余量，隨后也沒有達到新核心的預期性能預測。
Arm仍然認為CPU是未來最通用的計算塊。雖然專用加速器或GPU會有其一席之地，但它們很難解決可編程性、保護性、普適性（本質上能夠在任何設備上運行）以及正確工作的成熟能力等重要點。目前，計算生態系統的運行方式極其分散，不僅設備類型不同，設備廠商和操作系統之間也存在差異。
SVE2和矩陣乘法可以極大地簡化軟件生態系統，讓計算工作負載向前邁進一步，采用更統一的方法，未來可以在任何設備上運行。
最后，Arm對Mali GPU的未來有一個新的信息，披露了該公司正在研究VRS，特別是Ray Tracing等新技術。后一點聽起來頗為令人驚訝，也預示著AMD和Nvidia推出RT的桌面和游戲機生態系統的推動，也有望推動移動GPU生態系統向RT發展。
Armv9設備將在2022年初面世
今天的公告是以一種極其高級的形式發布的，我們預計Arm會在未來幾個月公司慣常的年度技術披露中更多地談論Armv9的各種細節以及CCA等新特性。
總的來說，Armv9似乎是一個混合體，一方面是更根本的ISA轉變，SVE2可以看作是，另一方面是對軟件生態系統的總體重新梳理，以匯總過去十年的v8擴展，并為下一個十年的Arm架構打下基礎。
Arm在去年年底就已經談到了Neoverse V1和N2，我確實預計N2至少會作為v9設計最終亮相。Arm進一步披露，預計今年會有更多的Armv9 CPU設計亮相，很可能是移動端Cortex-A78和X1的繼任者，新的CPU很可能已經被一般的SoC廠商扎堆，預計2022年初就能在商用設備上看到。
華為是否可用？
由于美國的霸權行為，目前華為先進芯片已經無法獲得代工支持了，但是對應后續芯片的研發華為應該不會放棄。目前華為最新的移動處理器是麒麟9000，基于Armv8 的 A77架構。因為華為早已購買了Armv8架構，所以基于此架構的A78、X1架構華為依然可用。但是華為是否可用最新的基于Armv9架構？
早在2019年9月25日，ARM全球負責芯片授權的IP產品事業群總裁熱內·哈斯（Rene Haas）曾明確表示，華為和海思是ARM的長期合作伙伴，后續的芯片架構都可以授權給華為海思。哈斯表示，在2019年5月美國政府將華為列入實體清單后，ARM對公司產品進行了厘清，目前有了一個明確結論，即無論是目前的V8架構，還是后續新的芯片架構，都是基于英國技術開發，不會受美國出口管制影響，可以授權給華為海思。由此看來只要ARM沒有被美國公司英偉達所收購的化，Armv9架構授權給華為還是應該問題不大的。
