推動(dòng)移動(dòng)計(jì)算真正邁入64位紀(jì)元！解讀Arm 2023全面計(jì)算解決方案

有移動(dòng)計(jì)算的地方，就有Arm的存在。而Arm架構(gòu)不斷創(chuàng)新也與移動(dòng)計(jì)算的需求發(fā)展緊密綁定在了一起。近年來，計(jì)算需求變得日益復(fù)雜，Arm也從2021年開始推出全面計(jì)算解決方案（TCS：Total Compute Solutions）。通過一整套專為無縫協(xié)同工作而設(shè)計(jì)的IP組合，Arm TCS極大地降低了SoC設(shè)計(jì)復(fù)雜度，幫助SoC設(shè)計(jì)者將計(jì)算性能進(jìn)一步提高。

于近期在北京舉行的Arm技術(shù)媒體分享日上，多位Arm技術(shù)大咖現(xiàn)身為記者講解了Arm 2023全面計(jì)算解決方案（TCS23），包括最新的CPU、GPU、軟件及安全產(chǎn)品。

全新Armv9.2架構(gòu)的CPU：Cortex-X4、Cortex-A720和Cortex-A520

在CPU集群方面，超大核、大核和小核都進(jìn)行了全面更新，采用了最新的Armv9.2架構(gòu)。先看超大核，這一最初從定制項(xiàng)目中誕生的產(chǎn)品，目前已經(jīng)更新到了Cortex-X4。

Cortex-X4連續(xù)第四年實(shí)現(xiàn)了較上一代雙位數(shù)性能提升，與上一代安卓旗艦產(chǎn)品相比較提升15%，具備更高的可伸縮性，最高可以支持每個(gè)核2M的2級(jí)緩存。同時(shí)值得一提的是，這一超大核不僅是性能最強(qiáng)，同時(shí)也是最為高效、面積效率比最高的Cortex核產(chǎn)品。

Cortex-A720對(duì)比于 Cortex-A715在高效方面實(shí)現(xiàn)了20%的提升，能夠支持手機(jī)在多線程的應(yīng)用處理方面具備更好的續(xù)航表現(xiàn)。此外，Cortex-A720在面積配置性方面還做了一個(gè)擴(kuò)展，能滿足各種不同檔次的手機(jī)市場(chǎng)。

Cortex-A520與Cortex-A510比較，在能效方面實(shí)現(xiàn)了22%的提升。尤其針對(duì)于低密度背景任務(wù)而言，能有效延遲電池的續(xù)航時(shí)間。這也是Arm封裝尺寸最小的一款Cortex產(chǎn)品，非常適用于入門級(jí)移動(dòng)終端設(shè)備。

可以看到，今年Arm將所有CPU的架構(gòu)都升級(jí)到了Armv9.2，從而在性能、能效和安全性上實(shí)現(xiàn)了全面的躍升，并且標(biāo)志著Arm全面推動(dòng)移動(dòng)計(jì)算生態(tài)進(jìn)入64位時(shí)代。

據(jù)Arm 終端事業(yè)部產(chǎn)品管理總監(jiān) Saurabh Pradhan介紹，Arrmv9.2架構(gòu)支撐了從安全到機(jī)器學(xué)習(xí)一系列的功能，這也是安卓全線的高端機(jī)都使用這個(gè)架構(gòu)芯片的原因。該架構(gòu)中兩個(gè)重要的技術(shù)，一個(gè)是 MTE，一個(gè)是指針驗(yàn)證技術(shù)。Arm在進(jìn)行Armv9 開發(fā)時(shí)的重點(diǎn)，就是要提升開發(fā)者的體驗(yàn)。比如其中一個(gè) SVE2，即可伸縮矢量擴(kuò)展，它能夠幫助開發(fā)者進(jìn)行編程平臺(tái)的復(fù)用；另有一個(gè)非常知名的內(nèi)容社區(qū)應(yīng)用表明在使用 MTE 后能夠檢測(cè)到 90% 的內(nèi)存安全漏洞。

作為全面解決方案，僅僅提供三個(gè)IP核是不夠的。Arm也提供了將超大核、大核和小核靈活地組合在一起，具有高效IPC的異構(gòu)多核設(shè)計(jì)集群，即DSU。

今年最新的DSU-120實(shí)現(xiàn)了三方面的提升：第一是可伸縮性，在一個(gè)集群中最小可以配置一個(gè)小核，最大可以支持高達(dá)14核的數(shù)量，同時(shí)能夠支持24M或者最高32M的3級(jí)緩存，支持筆記本之類的設(shè)備場(chǎng)景。第二個(gè)提升體現(xiàn)在PPA 上，進(jìn)一步降低了漏電，同時(shí)支持更多新的電源模式，從而延長(zhǎng)了電池壽命。第三是全新的一些功能，因?yàn)榛谧钚碌腁rmv9.2的架構(gòu)，所以能夠支持比如帶寬分區(qū)、節(jié)點(diǎn)最大化和納入一些新的接口。

第五代Arm GPU：Immortalis-G720、Mali-G720和Mail-G620

從Immortalis-G715開始，Arm將光追和VRS引入到了移動(dòng)領(lǐng)域，目前在最新的旗艦安卓手機(jī)中，仍處于領(lǐng)先的地位。但在GPU方面，Arm的創(chuàng)新腳步并不會(huì)停歇。TCS23中的GPU已經(jīng)不再采用Vhall架構(gòu)，而是采用了全新的第五代GPU架構(gòu)。全新的第五代架構(gòu)不僅是 GPU 本身能夠提供最佳的性能，同時(shí)GPU與外部?jī)?nèi)存、CPU系統(tǒng)級(jí)緩存在執(zhí)行中也能實(shí)現(xiàn)最佳性能。全新的Immortalis-G720、Mali-G720和MailG620將奠定Arm第五代GPU架構(gòu)的基礎(chǔ)，并為游戲體驗(yàn)引入新的功能。

相比上一代，在采用相同DRAM配置和芯片工藝完全一致的情況下，僅通過IP層級(jí)的創(chuàng)新，全新G720就帶來全面系統(tǒng)級(jí)的效率提升，包括：使用內(nèi)存帶寬最終減少40%，每瓦特性能平均節(jié)省 15%，峰值性能實(shí)現(xiàn)了平均15%的增加，整個(gè)架構(gòu)的吞吐量實(shí)現(xiàn)1倍的增加，達(dá)到了64Bbp。

在Immortalis-G720上，Arm帶來了更多新的功能。首先是延遲頂點(diǎn)著色（簡(jiǎn)稱 DVS），這是全新的渲染管線，徹底解決了集合數(shù)據(jù)流的問題，有助于在用到最復(fù)雜的場(chǎng)景時(shí)保持幀率的一致性。DVS大幅減少了外部帶寬的消耗，節(jié)省的帶寬也就意味著更多功耗的減少，從而提高了能效。

“考慮到越來越多的圖形幾何體的數(shù)量，以及越來越多大型復(fù)雜的游戲的應(yīng)用運(yùn)行，這意味著GPU比以往更需要大內(nèi)存帶寬。而Arm通過在系統(tǒng)級(jí)的帶寬的需求上降低40%，從而能夠保障像圖形處理方面的復(fù)雜應(yīng)用不受到內(nèi)存帶寬的限制?！盇rm 終端事業(yè)部產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Anand Patel解釋到，“通常在一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)之上，它的內(nèi)存帶寬是固定的，例如60M/S等；如果把它降低40%的話，就意味著能節(jié)約出來很多功率用于更加復(fù)雜的功能實(shí)現(xiàn)?！?

在移動(dòng)光追方面，Arm將RTU單元集成到了著色器內(nèi)部，通過與執(zhí)行引擎緊密配合，保證 RTU 在多核架構(gòu)中能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；倪\(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)針對(duì)光追功能還有功耗方面的優(yōu)化，通過把光線追蹤單元移到自己的電源區(qū)，確保在不使用光線追蹤功能，整個(gè)電源部分可以被關(guān)閉，從而節(jié)省了這一部分漏電流所耗費(fèi)的功耗。

對(duì)于GPU的應(yīng)用工程師而言，開發(fā)工具尤為重要。在開發(fā)工具方面，Arm Mobile Studio中提供了免費(fèi)的GPU工具，可以幫助開發(fā)者針對(duì)Arm GPU進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)開箱即用的出色性能。該工具提供的功能包括profilers 數(shù)據(jù)分析器、事件追蹤、計(jì)數(shù)器、著色器分析和圖形API調(diào)試等。

MTE、PAC 和 BTI：Armv9的基礎(chǔ)安全性能

64位架構(gòu)能夠帶來更高的安全性和性能，因此Arm一直在推動(dòng)64位生態(tài)的發(fā)展。而在此次TCS23推出之際，也標(biāo)志著Arm從Armv9.2開始將移動(dòng)計(jì)算架構(gòu)全面推動(dòng)轉(zhuǎn)向64位生態(tài)。

在新的Armv9.2中，提供了更為豐富的安全功能。除了MTE之外，還有最新的PAC和BTI技術(shù)。

MTE即內(nèi)存標(biāo)記擴(kuò)展，這一功能在Armv8.5的時(shí)候開始引入，目前在Armv9.2上更是成為了其基礎(chǔ)性能，也是64 位架構(gòu)和應(yīng)用未來的趨勢(shì)。Arm實(shí)現(xiàn)的MTE為兩階段系統(tǒng)，即“鎖”和“密鑰”。如果密鑰匹配，則允許訪問鎖內(nèi)存；否則，訪問可能會(huì)被記錄下來或出錯(cuò)。這樣就可以更輕松地檢測(cè)到難以捕獲的內(nèi)存安全錯(cuò)誤，也有助于進(jìn)行常規(guī)調(diào)試。在鎖和密鑰兩階段系統(tǒng)中，存在兩種類型的標(biāo)記：

地址標(biāo)記，用作密鑰。這將在進(jìn)程中每個(gè)指針的最高位增加四位。地址標(biāo)記僅適用于64位應(yīng)用，因?yàn)樗褂昧恕案咦止?jié)忽略”功能，這是Arm64位的一個(gè)功能。

內(nèi)存標(biāo)記，用作鎖。內(nèi)存標(biāo)記也由四位組成，與應(yīng)用內(nèi)存空間中每個(gè)對(duì)齊的16字節(jié)區(qū)域相連接。Arm 將這些16字節(jié)區(qū)域稱為標(biāo)記顆粒。這四位并不用于應(yīng)用數(shù)據(jù)，而且是分開存儲(chǔ)。

“攻擊者永遠(yuǎn)在增強(qiáng)自己的攻擊方式和想法，所以我們必須要做到所謂的關(guān)鍵信息。”Arm終端事業(yè)部軟件戰(zhàn)略總監(jiān)盧旻盛分享到，“TrustZone和虛擬化等很多隔離技術(shù)它的原理是在于怎么樣能夠防止攻擊者看到你所保護(hù)的東西，這是它的架構(gòu)原理。 而MTE的軟件安全技術(shù)，是從減少軟件漏洞被利用的原理出發(fā)。采用鎖和密鑰兩階段系統(tǒng)，基本上從原理出發(fā)就可以防止空間和時(shí)間型的信息安全風(fēng)險(xiǎn)。雖然攻擊者可以看到這個(gè)軟件，但是其實(shí)也防止了被入侵的一系列漏洞：第一是開發(fā)流程的漏洞，第二現(xiàn)有漏洞可以被更加早被發(fā)現(xiàn)，第三防止這個(gè)漏洞被利用。所以MTE和TrustZone兩項(xiàng)技術(shù)是互補(bǔ)型的方式。”

PAC和BTI則是在 Armv9內(nèi)核中首次推出的功能，兩者聯(lián)合使用的情況下，攻擊者就很難將現(xiàn)有的代碼片段用于不法手段。即使攻擊者找到了覆蓋一個(gè)指針的方法，但也難以用它真正覆蓋任何代碼。BTI 可以保護(hù)程序不跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中未經(jīng)授權(quán)的地址，每一個(gè)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，連接寄存器就會(huì)被清零，所以在函數(shù)反饋之前會(huì)重新檢查簽名是否有效，如果有人以某種方式修改了地址，則認(rèn)證無法通過。

Arm 終端事業(yè)部生態(tài)系統(tǒng)及工程高級(jí)總監(jiān)Geraint North表示，“不管開發(fā)者的代碼是按C、C#、Rust 還是從 JIT發(fā)出的代碼，用 PAC、BTI 進(jìn)行保護(hù)，就可以減少攻擊者在突破沙盒后可以訪問的代碼足跡，因此就能提供最大限度的保護(hù)。”

從TCS23開始，全面邁向64位生態(tài)

雖然全面64位架構(gòu)的好處頗多，但從32位向64位的生態(tài)遷移已經(jīng)用了很長(zhǎng)的時(shí)間。早在10多年前，Arm就已經(jīng)推出了第一款具有64位功能的CPU，并且在安卓生態(tài)中很好地得到了反饋。但之后32位和64位一直處在并存發(fā)展的過程中，而去年谷歌Pixel手機(jī)推出僅支持64位的配置，則意味著整個(gè)過渡即將結(jié)束。Arm也是非常果斷地在Armv9.2架構(gòu)開始，全面支持64位生態(tài)?！白钚碌倪@些IP都是僅支持 64 位的，它們的性能提升將會(huì)更快。因?yàn)橐环矫嬖谟布衔覀儠?huì)在64位的IP設(shè)計(jì)上投注更多的精力；另一方面在軟件上，Arm的編譯器和庫優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，都把工作重點(diǎn)聚焦在 64 位上?！盙eraint North說到，“如果現(xiàn)在你還是在做 32 位的開發(fā)，那么我們做的這些工作可能就不能夠?yàn)槟闾峁┵x能?！?

長(zhǎng)期以來，推廣64位生態(tài)的難點(diǎn)在于中國(guó)的軟件生態(tài)的分化程度更高。在中國(guó)有更多的基于安卓系統(tǒng)而來的OS和多種應(yīng)用商店，要推動(dòng)所有的軟件轉(zhuǎn)向64位架構(gòu)并不容易。而Arm選擇通過與中國(guó)頂級(jí)OEM的合作方式，來加速這一轉(zhuǎn)型。

目前大部分中國(guó)的應(yīng)用商店已經(jīng)給出了明確的期限，來催促軟件開發(fā)者盡快升級(jí)其應(yīng)用程序到64位版本。目前在中國(guó)所有應(yīng)用軟件中64位的采用率遠(yuǎn)超過90%，尤其是觀察排名前1000或前100的應(yīng)用普及率的時(shí)候，64位的普及率幾乎是 100%。

而在安卓智能手機(jī)之外，Arm也繼續(xù)將目光投向更大的市場(chǎng)。像智能電視、機(jī)頂盒等領(lǐng)域，也有望推動(dòng)其進(jìn)入64位生態(tài)。

“我們已經(jīng)在純64位之路努力多年。好消息是，遷移到64位系統(tǒng)的任務(wù)已經(jīng)完成。去年，Pixel 7推出了一款純 64 位應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)，MediaTek 也推出了第一款全64位的安卓SoC，這個(gè)芯片目前被多款高端手機(jī)采用。”Arm產(chǎn)品營(yíng)銷副總裁Ian Smythe表示，“Arm 所發(fā)布的全新的TCS23是針對(duì)移動(dòng)計(jì)算的最優(yōu)選的計(jì)算平臺(tái)，它包括了最尖端的CPU技術(shù)和GPU技術(shù)，能夠讓游戲開發(fā)者以及人工智能應(yīng)用開發(fā)者實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)的打造。”

圖：Arm產(chǎn)品營(yíng)銷副總裁Ian Smythe