浅谈Armv9的三个技术特性及引发的市场竞争力

Arm架构在如今的电子行业中可以说是无处不在。自1990年Arm公司正式成立Armv4架构到2011年Armv8架构，短短21年架构经过了5次重大升级。而Armv8意味着Arm正是从AArch32迈进AArch64，凭借强大的实力在过去的五年基于Arm架构的设备出货量超过了1000亿。

十年转瞬，Armv9架构终于露出庐山真面目，适用于Arm全系列芯片的Armv9架构，这次的升级瞄准的则是日益强大的安全、人工智能（AI）和无处不在的专用处理的需求。实际上，Armv9架构的推出也与正预示着行业的发展方向。凭借新架构，Arm提出了3000亿的目标。

Armv9的三个技术特性

根据Arm高级副总裁、首席架构师兼技术院士Richard Grisenthwaite的介绍，Armv9架构是基于Armv8既往成功的基础，并增添了针对矢量处理的DSP、机器学习ML、安全等这三个技术特性。

Armv8之所以“统治”市场十年之久，最大的升级点便是引入了64架构，即AArch64，这也是Arm版本升级最大的一次改变。除此之外，AArch64摒弃了此前的处理器模式、优先级级别等传统概念，提出了EL（Exception level），并在兼容设计上定义了两套运行环境ES（Execution state）。这些也都被Armv9所继承，可以说Armv9是集大成者，将Arm三十多年的核心完美继承下来。

矢量处理的DSP、机器学习ML处理能力提升要归功于可伸缩矢量扩展（SVE2）和矩阵乘法指令的引入。相比SVE的128位矢量，SVE2可以支持多倍128位运算，最多2048位，因此才有如此魔力可以增强对在CPU上本地运行的5G系统、虚拟和增强现实以及ML工作负载的处理能力。

根据Richard Grisenthwaite的介绍，SVE2增强多项DSP和机器学习ML处理能力，例如Scatter-Gather DMA直接存储器访问，把它放到CPU架构中，能实现更多的循环，更大的DSP处理能力，从而支持更多的并行化。

安全能力提升则主要是通过Arm推出的全新的机密计算架构CCA（Confidential Compute Architecture）实现，根据介绍CCA通过打造基于硬件的安全运行环境来执行计算，保护部分代码和数据，免于被存取或修改，甚至不受特权软件的影响。同时还将基于此前的TrustZone安全技术引入动态创建机密领域（Realms）的概念，机密领域面向所有应用，运行在独立于安全或非安全环境之外的环境中，以实现保护数据安全的目的。

Armv9在算力上的提升

提到架构的升级，就离不开算力这一个话题，Armv9架构能够为Arm后两代产品提供30%的性能提升。根据介绍，以智能手机等移动平台使用的Cortex-X/A系列为例，X1/A78这一代的性能相比16nm A72提升2.5倍，下一代的Matterhorn架构及Makalu架构会保持30%以上的IPC性能提升。

除了CPU性能以外，Armv9还非常重视整体的性能提升，包括降低内存延迟（从150ns降至90ns）、频率提升（从2.6GHz到3.3GHz）内存带宽（从20GB/s到60GB/s）、缓存等。

Richard Grisenthwaite强调，Arm在新一代架构Armv9上将保持这个速度，预计未来两代移动和基础设施CPU的性能提升将超过30%。，这个数据是根据业界标准评测工具来衡量的，而且这样30%的算力提升完全是凭借于本身的架构而不是借助于制程工艺来实现。

另外，随着摩尔定律正在放缓，如何进一步提升算力呢？他认为，Arm将通过最大化地提升频率、带宽、缓存大小、并减少内存延迟，以最大化CPU性能。

除了CPU，Arm还表示Mali GPU会增加更多高级功能，例如VRS可变帧率渲染、RT光线追踪及其他高级渲染技术等。

由Armv9引发的市场竞争力

实际上，在去年Arm发布Arm® Cortex®-M55处理器和Arm Ethos™-U55神经网络处理器（NPU）两款重磅“性能炸弹”时，就已开始蓄力发展人工智能（AI）。Cortex-M55是Arm历来AI能力最为强大的Cortex-M处理器，能够大幅提升DSP与ML的性能，同时更省电。

反观行业趋势，应用开始要求提供更高的数字信号处理（DSP）性能，实时算法的复杂程度增加和浮点算法趋势下，DSP核或硬件加速单元越来越多被部署内嵌在器件之中。DSP一直影响着下一代产品创新，这是因为许多算法在字长和动态范围有着很高的要求，DSP可免去定点到浮点的转化工作加速产品上市，另外DSP浮点计算成本越来越接近定点计算。正因如此，便形成了Arm+DSP内核的黄金搭档。

另外，行业也正在将越来越多的机器学习工作负载变得更加普遍，虽然机器学习有着许多专用的加速器，不过相比来说大量的小范围机器学习的主力仍然是CPU，因此矩阵乘法指令成为关键。

在安全性能上，Arm曾在此前进行了多维度的功能增强，包括PSA认证、TrustZone等。目前PSA认证已经有有超过35个合作伙伴提供的60多种认证产品，而新推出的CCA则也将基于TrustZone提供更加安全的架构。

从Armv9着眼的点来看，行业正逐渐对算力功耗平衡性和安全性能要求提高。Arm架构可用在物联网的大部分设备之上，因此对这两项要求更加吃紧。大数据时代爆炸量的信息增长下，一方面将计算分成了多个维度，另一方面将会对数据安全提出更高的要求。

根据Arm的介绍，搭载ARMv9处理器的芯片最快在2021年年底就会面世，物联网发展日趋成熟，这个时间点恰好提升竞争力的好时机。市场或将拥有追求极致计算性能的高端产品、超低功耗的省电高手、主打安全可靠的产品。而Armv9经过架构的更新，能够从底层和非制程方向进行大改革，相信能为市场带来新的竞争力。

而在广为受关注的国内授权问题上，Arm强调：“Arm既有源于美国的IP，也有非源于美国的IP。经过全面的审查，Arm确定其Armv9架构不受美国出口管理条例（EAR）的约束。Arm已将此通知美国政府相关部门，我们将继续遵守美国商务部针对华为及其附属公司海思的指导方针。”
编辑：lyn