Arm下一代指令架构“Armv9”已经问世

Arm的下一代CPU指令集架构（ISA：指令集架构）“ Armv9”开始推出。该公司正在逐步扩展当前的ISA“ Armv8”，而扩展的高潮最终将成为Armv9的搭建桥梁。至于Armv9，一位CPU行业人士表示，安全性增强是最重要的关键。Arm在Armv8.3之后的阶段扩展中专注于安全性，并被视为迈向Armv9的一步。

Arm的指令集架构的发展对于当前的IT行业至关重要。这是因为高性能CPU的指令集体系结构几乎被x86 / x64和Arm两个系统所垄断。对于移动和嵌入式应用程序，Arm是最大的力量。即使不使用Arm本身的CPU内核IP，Apple的A系列SoC的CPU内核和Qualcomm的Snapdragon SoC的Kryo内核也符合Arm的指令集。Arm的指令集体系结构更改会影响许多计算设备。

该公司在2011年使用Armv8将CPU ISA 64位化，同时极大地改变了架构 使用AArch64（一种智能且有条理的64位体系结构），并对ISA进行了重新分区，然后重新开始。在Armv8基础之上，Arm目前正在建立扩展指令。扩展从三个方向进行：虚拟化和RAS等服务器的系统扩展，深度学习的计算扩展以及安全性扩展。

此外，Arm还发布了未来CPU体系结构扩展的方向。引入事务性内存以扩展CPU内核数量，增加了用于车载的功能安全功能，支持用于深度学习的矩阵运算，针对矢量市场中的某些市场将矢量扩展到256位。

它还允许获得Arm许可的客户将自定义指令合并到Arm指令集中。定制指令从用于嵌入式用途的Cortex-M开始，但也正在考虑将其部署到实时的Cortex-R和计算的Cortex-A中。到目前为止，Arm尚未允许被许可方添加自定义指令，以防止破坏CPU指令集体系结构。Cortex-A类中的自定义说明将谨慎进行，以免造成干扰。客户自定义指令的引入旨在与允许客户自定义指令的RISC-V指令集体系结构相反。

不断升级的Armv8-A指令集

Arm CPU当前的指令集架构是第8代“ Armv8”。即使具有相同的Armv8名称，它也会按CPU配置文件分为ISA系列的三种类型。“ Armv8-A”用于高性能CPU“ Cortex-A”系列，“ Armv8-R”用于实时CPU“ Cortex-R”系列，“ Armv8-M”用于嵌入式MCU“ Cortex-M”系列，每个配置文件都有不同的指令集。

此外，对指令集进行了较小的升级。用于高性能CPU的Armv8-A在小数点后也有一个版本。从Armv8.1-A开始，十进制版本每年都会增加“ .1”，现在宣布了Armv8.6-A。Armv8.6-A是ISA在2019年的扩展，Armv8.5-A是2018年，Armv8.4-A是2017年。

传统上，当出现新的Arm ISA小数点版本时，新的小数点版本几乎同步地添加到Arm自己的CPU核心IP中。但这不是现在。Arm的高端CPU核心IP“ Cortex-A77” ISA版本为Armv8.2-A。下一个内核Hercules也是Armv8.2-A。实际上，自2015年Armv8.2-A起，CPU核心IP ISA版本就没有增加。

Apple CPU内核几乎没有Armv8.3-A。已经发布了过去几年的Armv8.x，但尚未在CPU上完全实现。这这种情况有些复杂。首先，ISA版本和CPU实施ISA版本名称之间存在关联。每个Armv8.x一代ISA版本都包含多个功能。使用Arm ISA，如果您具有特定世代的所有功能，则可以首次声明该版本。

例如，如果实现了Armv8.2-A的所有功能，它将成为Armv8.2-A CPU。但是，除了Armv8.0-A的基本功能之外，如果仅实现Armv8.2-A功能的一部分，它将成为Armv8.0-A CPU而不是Armv8.2-A CPU。

在实际的核心IP示例中，Cortex-A77实现了Armv8.2-A之前的所有功能，但仅实现了Armv8.3-A和Armv8.4-A的某些功能。因此，ISA版本是Armv8.2-A CPU。完全装有Armv8.4-A的CPU内核尚未出现。由于该功能的“旋钮”，无法满足Armv8 ISA的升级条件，并且版本无法升级。

但是，这种情况将在不久的将来改变。Arm CPU内核是下一代“ Matterhorn”，并且可以立即实现Armv8.6-A的许多功能。 Matterhorn是该指令集的主要里程碑。Arm将 Matterhorn的CPU代号规则从当前的希腊神话更改为Yamana名称，而且还切换了CPU体系结构以及代号。 Matterhorn可能是“ Armv9之前的CPU”。

过去两年中，Arv8.x指令扩展集中在安全性扩展上

过去，随着分阶段添加功能，Arm的指令集是在Arm的CPU核心IP中同步实现的。但是，自Armv8.2-A以来，它的实施并不顺利，新功能的积累也有所重叠。因此，如前所述，CPU内核的ISA版本似乎未从Armv8.2-A升级。

剩下这么多的原因是什么？它与Armv8.2-A及更高版本功能的内容有关。最后三代的Armv8.x扩展专注于安全性。特别是，Armv8.4-A和8.5-A主要是与安全相关的扩展。

从Meltdown和Spectre开始，这是为了处理CPU微体系结构上的安全性问题。2017年，CPU厂商出现了侧面通道攻击类型Meltdown和Spectre。因此，在过去几年中，开发高性能CPU的供应商（包括Intel和AMD以及Arms）一直致力于将安全功能集成到CPU体系结构和微体系结构中。

就Arm而言，高度依赖Arm平台的Google已成为重要的合作伙伴，并在架构上采取了先进的安全措施。它内置在最新的ISA十进制版本中，例如Armv8.4-A（2017）和Armv8.5-A（2018）。

图：Armv8.xA体系架构

如果您查看上面每个Armv8.xA版本中的新功能，则可以看到对安全性的偏爱。在该图中，SIMD / FP（浮点）算术系统功能以绿色显示，安全功能以紫色显示，系统和内存功能以卡其色显示。安全功能从Armv8.3-A开始，并随着Armv8.4-A / Armv8.5-A迅速增加。

重点再次从安全转向深度学习

侧通道攻击问题极大地改变了高性能CPU架构的发展。在此之前，您只需要实现一种良好的加速技术，但是在Meltdown / Spectre之后，您现在需要检查该技术是否存在安全问题。并且已经有必要将用于边信道攻击的基本安全功能整合到体系结构/微体系结构中。

自2017年中以来，高性能CPU供应商一直在努力解决此问题。除Arm之外，包括Intel和AMD在内的所有高性能CPU供应商的当前目标是完善一种可免受侧通道攻击的体系结构。

Armv8-A指令集的演变清楚地表明了这种情况。Arm正在迁移到Matterhorn，其安全扩展由Armv8.5-A分隔。因此，下一个指令扩展Armv8.6-A不是偏向于安全性，而是专注于深度学习。

Arm在Armv8.2-A中支持FP16（16位半精度浮点算术），在Armv8.4-A中支持8位点积指令。其加强了对CPU的SIMD（单指令，多数据）操作的深度学习支持。Armv8.6-A进一步支持矩阵运算和BFloat16，以加强对深度学习的兴趣。将矩阵运算和BFloat16带入CPU的原因之一是支持边缘侧训练。支持在中间边缘进行轻度训练，而不是在云侧进行繁重训练。

本文由电子发烧友翻译自pc.watch