Arm新十年，能否实现CPU计算“统治”？
作者 | 包永刚
本周三，Arm发布了最新一代架构Armv9，这一架构是在目前已经广泛使用的Armv8的基础上，面向未来十年的新一代架构。
雷锋网了解到，Armv9架构有三个系列，分别是针对通用计算的A系列，实时处理器的R系列，微控制器的M系列，预计未来两代移动基础设施CPU的性能提升将超过30%。首款基于Armv9架构CPU的移动处理器最快将在今年底问世，可能来自MediaTek。
Armv9架构的初代版本增强了安全性、机器学习、DSP性能，Armv9架构未来也将持续增强这些性能，并将加入新特性。
最近几年，Arm架构处理器已经从智能手机为代表的终端向对性能要求更高的PC、数据中心延伸。从最新的发布可以看到，Arm希望Armv9架构 CPU以及基于其GPU、NPU处理器能够无处不在。如果Arm的目标能够实现，是否可以实现CPU计算统治？Arm的第三个1000万出货目标多久能够达成？
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安全是发挥计算架构潜能最大的挑战
Armv9架构的发布会上，安全性被频频提及，与安全相关的技术和介绍的篇幅也很长。Arm高级副总裁、首席架构师兼技术院士Richard Grisenthwaite解释称，“我看来，计算若要充分发挥潜能，安全是最大的挑战，越来越多的私人数据被存放在计算系统中，这让这些数据成为安全攻击的诱人目标。今年网络犯罪损失的金额预估高达6万亿美元。”
因此，Armv9架构在安全性方面做了多方面的工作。首先是引入了Arm机密计算架构（Confidential Compute Architecture, CCA），机密计算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。
Arm CCA将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，实现保护数据安全的目的。比如，在商业应用中，机密领域可以保护系统中商用机密数据和代码，无论它们正被使用、闲置或正在传输中。
据悉，Arm会在今年下半年公布Arm CCA的更多信息。
内存标签扩展是Armv9架构的另一项安全技术。Richard Grisenthwaite说：“在分析了全球软件报告的大量安全问题后，我们发现许多问题的根源实际上与过去内存安全的老问题有关。这些问题已经困扰计算领域50年，两个持续多年特别常见的内存安全问题——缓存溢出和释放后重用。很大一部分的问题是，这些内存安全漏洞被利用之前就能发现问题，这是提高全球软件安全至关重要的一步。”
Arm持续与谷歌合作开发的“内存标签扩展”技术，可以在软件中查找空间和时间内存安全的问题，允许软件将指向内存的指针与标签建立关联，并在使用指针时检查这个标签是否正确。
Richard称，内存标签扩展是明年上市的第一代Armv9 CPU不可或缺的一部分。支持内存标签扩展的软件也正被引入到安卓11系统和OPENSUSE。
Arm还与剑桥大学在其CHERI架构上合作多年，从架构底层来提升安全性。据介绍，CHERI架构定义了可提供这种封装能力的硬件功能，这在未来将可能促成一个本质上更为安全的计算平台，但这也会使某些系统的变成方式产生重大改变。
不过，这种架构Arm已经在和其合作伙伴探索，如果成功，会在未来5-6年引入Armv9架构，成为Armv9架构主要的组件之一。
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未来两代Armv9架构CPU性能提升将超过30%
安全性是计算架构的基础，性能提升则是满足越来越高的计算需求以及多样化计算需求的关键。Arm预计，新一代架构Armv9将保持超过业界CPU性能提升的速度，未来两代移动和基础设施CPU的性能提升将超过30%。
Richard强调：“这个数据是根据业界标准评测工具来衡量，30%的算力提升完全是凭借于本身架构而不是借助于制程工艺来实现。”
计算性能提升非常重要的驱动力就是AI，Statista Research Department今年1月发布的最近报告估计，到21世纪20年代中期，全球将有超过80亿台搭载AI语音辅助的设备。不同设备对于AI性能的需求不同，也就需要不同的AI处理器。
Arm与富士通合作开发了可伸缩矢量扩展（Scalable Vector Extension, SVE）技术并用在了全球最快的超级计算机“富岳”上。在SVE的基础上，Armv9中使用了新开发的SVE2技术，增强了对在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，能够提供实现增强的机器学习和数字信号处理能力。
“我们还将通过提升频率、带宽、缓存大小、并减少内存延迟，以最大化CPU 性能。”Richard表示。
在解决新问题的过程中，Arm加入了一些复杂技术，这是否违背了精简指令集（RISC）的初衷？Richard的观点是：“Arm架构的精简指令（RISC）核心没有改变，我们依然遵循着注册到注册(registration to registration) 的操作原则，所以从硬件的角度来看，Arm指令集仍然保持着精益性。”
Arm称，除了大幅增强CPU内的矩阵乘法，Mali GPU和Ethos NPU也会持续进行AI创新，扩展Arm的技术能力。
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统治CPU计算
目前，CPU领域最成功的架构当属x86，不过x86的成功和统治力在于PC和高性能计算市场，在Arm擅长的智能终端市场并不成功。近几年，Arm架构在高性能计算领域取得了一些进展，包括上面提到的“富岳”超级计算机，以及推出采用Arm架构的多款服务器。去年，苹果M1处理器Macbook Pro电脑的推出，也让业界看到了x86架构在PC市场的统治地位并非牢不可破。
Arm首席执行官Simon Segars说，“Arm芯片实现1000亿颗的出货花了26年，如果预测准确，接下来一年，我们的合作伙伴出货的Arm芯片将累计达到2000亿颗。也就是说，我们的第二个1000亿的出货将在短短5年内达成。”
雷锋网了解到，目前Arm架构的芯片出货已经超过1800亿颗，Armv9架构会成为实现Arm芯片3000亿颗芯片出货的先驱。没有人能准确预估Arm实现第三个1000亿颗芯片出货的时间，但可以明确的是Arm希望其芯片能够为所有智能计算提供算力，也就是让其芯片在未来无处不在。
为了实现这个目标，同时满足行业从通用计算向普遍的专用处理发展的需求，Arm也开始强调全面计算的理念。全面计算设计方法包含Arm的CPU、GPU、NPU，通过将全面计算的设计原则应用在包含汽车、客户端、基础设施和物联网解决方案的整个IP组合中。
与此配合，Arm也需要在标准化程度上取得平衡。Richard说：“如果过多的标准化，那么合作伙伴将无法开发合适的专用解决方案。而如果太少的标准化，我们得承担低价值、形同实异的解决方案的风险。这将让软件生态系统的成本增加、且毫无益处。”
Arm在服务器领域中已经看到了标准化平衡的价值，推出了“服务器基础架构SBSA”和相关的认证计划“服务器就绪”。
“我们也正在扩大标准化的范围，Arm SystemReady将服务器就绪计划的概念从云端延伸到物联网边缘等广泛的设备上，以实现通用操作系统及虚拟机管理程序之间的交互运作。”Richard说。
如果Arm的全面计算以及标准化探索成功，从终端到边缘再到云端，Arm是否就能够实现在未来的计算统治？实现3000亿颗甚至更多芯片出货又会有多快呢？
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小结
现在看来，有两大方面的阻碍，一方面是在复杂的国际形势下，同属精简指令集的RISC-V正在快速发展，加上x86阵营intel和AMD也在加强x86的竞争力，Arm要真正撼动x86的优势领域并非易事。
另一方面，中国作为芯片进口的大国，Arm与Nvidia的收购交易，以及美国对中国领先芯片设计公司的出口限制，让客户产生担忧。
对于Armv9是否以供给包括华为在内的中国企业的问题，Arm的官方回复是：“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。”
这样的回复，不知你怎么看？
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