近十年来，Arm 整个生态体系有了飞速的发展。这得益于智能手机的普及，几乎所有人都知道了 Arm 的存在。事实上更大的变革来自其他方面，比如桌面平台、服务器和超算领域。更接近于人们认知的是苹果推出了首款自研芯片 M1，从自己产品线吹响了取代英特尔芯片的号角，无论对于苹果还是 Arm 生态系统，这都是一个划时代的产品。x86 已经主宰了计算机行业多年，随着 Arm 的崛起，接下来的将面临有史以来最大的挑战。  前一段时间，Arm 发布了全新的 Armv9 架构，开启了新的征程。根据 Arm 官方的介绍，新的 Armv9 架构将会至少使用 10 年，未来两代基于 Armv9 架构的处理器在性能上有望提升 30%。与 Armv8 架构不同的是，Armv9 架构的适用范围更广阔，其一系列改进不少都是为了 Arm 架构芯片可以实现高性能计算做铺垫，也就是说更接近于大家口中 "x86 处理器的对手 " 这个定位。 在 Armv8 架构基础上，Armv9 架构继续使用 AArch64 作为基准指令集，保持了向下兼容性，在此基础上分别在安全性、AI（机器学习）以及可伸缩矢量扩展和 DSP 上做出改进，扩展了应用范围。Armv9 架构包括了三个系列，分别是通用计算的 A 系列、实时处理器的 R 系列和微控制器的 M 系列。  Arm 认为，未来计算性能的提升非常重要的驱动力就是 AI。不同的设备的 AI 性能需求不同，对 AI 处理器的要求也会不一样。为了满足未来的行业需求，Arm 在原有的 SVE（可伸缩矢量扩展）指令集基础上，开发了 SVE2 指令集，增强了新一代 Arm 架构在高性能计算、5G 网络、虚拟现实、AI 和 DSP 等方面的性能。另外 Arm 对矩阵乘法的进一步优化，以及 Mali GPU 和 Ethos NPU 的持续改进，也将扩展 Armv9 架构的技术能力。 随着各行各业对处理器的要求已从通用计算向专用计算发展，为了满足各方对性能的需求，Arm 提出了全面计算（Total Compute）的设计方法。通过对系统级硬件（包含 Arm 的 CPU、GPU、NPU）和软件优化，将全面计算的设计方法应用在汽车、用户端、基础设施和物联网等解决方案的整个 IP 组合中，让 Armv9 架构加速总体计算性能。  Arm 和富士通的合作成果是 A64FX，是首款使用 SVE 指令集的 Arm 架构处理器，也就是目前世界排名第一超算系统 "Fugaku" 使用的芯片，表现相当亮眼。 根据富士通的介绍，A64FX 采用台积电 7nm FinFET 工艺制造，拥有 87.86 亿个晶体管，596 个信号针脚，集成了 52 个核心，包括 48 个计算核心和 4 个一样结构的管理核心。所有的 52 个核心分为四组，每组 13 个，共享 8MB 二级缓存。每组之间的互联使用的是富士通第二代 TOFU，也就是 6D mesh/torus 片上互联网络。同时配置了配的 32GB HBM2 内存，16 条 PCIe Gen3 通道，拥有 1024 GB/s 的存储带宽。可以提供 2.7 TFLOPS@64bit，21.6 TFLOPS@8bit 的性能。  随着人工智能、机器学习和数据分析等项目在经济生产和日常生活中变得更普遍，数据中心和超算系统将越来越受到重视。这个由英特尔和 AMD 的 x86 处理器主导的市场，自然也是未来 Arm 想要涉足的地方。在这个领域，富士通 A64FX 处理器为 Arm 打响了第一枪，可以说是 Arm 架构芯片一次成功的试水。 对于目前使用基于 Armv8 架构处理器的 iPhone 或 iPad 系列这样的产品，想运行某些为 A64FX 制作的代码是不可行的，因为不支持 SVE 指令集。在不久的将来，基于 Armv9 架构处理器的新一代移动设备却可以做到，因为 SVE 指令集已经成为 Armv9 架构标准的一部分。从这个角度来看，等于将 " 超算 " 塞进了口袋。 在现代微处理器中，处理矢量的指令被称为 SIMD 指令。从技术上讲，Arm 的 Neon 和 SVE 指令集都可以视为 SIMD 指令的一种形式，这是单指令多数据流的简称。简单来说，就是当你向 CPU 发出一条指令，然后会在同一时间对多个值进行相同的操作。这类型的指令集其实很常见，在 x86 微处理器里，为更快进行多媒体处理和视频编解码工作，使用了包括 MMX、SSE 系列和现在的 AVX 系列等指令集，都有相似的思路和作用。  在 x86 的早期，处理器制造工艺的提升相对容易，晶体管数量可以很轻松地以几何级数量增加，指令集的条数也不算多，想加入更大的矢量寄存器并不难，每隔几年增加新指令也是常态。不过随着工艺开发越来越难，以及晶体管密度过高造成的各种问题，通过这种方式提高性能可能开始有点行不通了。目前在消费级平台，使用 AVX-512 指令集的时候会有什么样的效果，英特尔第 11 代酷睿系列处理器的表现相信已经有目共睹了。 一般来说，使用 x86 处理器的领域允许其做得更大，功耗高一些可能也没关系，对于超算系统使用的处理器而言，更不会那么严格。不过 Arm 架构的处理器大多是用在小型设备上，对功耗和散热都很敏感，所以就变得很谨慎了。更重要的一点是，Arm 试图让自己的架构可以覆盖更广泛的领域，从微小的嵌入式设备到 "Fugaku" 这样的超算系统。虽然 Arm 也能提供不同的指令集，或者为不同的细分市场提供不同的配置标准，但软件可以在所有 Arm 架构芯片上编译和运行会更符合 Arm 的利益，发挥出其架构的最大效益。  未来智能手机使用的 Arm 处理器，可能使用 128 位的矢量寄存器就可以了，而在超算系统里，则可以使用 2048 位的设计，代码能够充分利用矢量寄存器的长度以达到更高的性能。这意味着同样的代码其实可以适用于超算系统和普通人的智能手机，这是目前 x86 的 SIMD 指令所做不到的，而且需要解码和管理的指令也更少，装入缓存的指令也少得多。 或许有人会产生一个疑问，为什么 SVE2 与 SVE 有什么不同？带来了什么变化？ SVE 指令集是 Armv8 架构里的一个可选扩展，为适应高性能计算需要而设计的，适用性有限。对于大多数用户而言，更多地是使用 Arm 的 Neon 指令集，所做的多媒体工作负载可能更贴合他们的需求，对于这类型工作基本不需要长的矢量寄存器。SVE2 指令集一方面完善了 SVE 指令集的不足，另一方面基本做到了原来 Neon 指令集所要做的事情，而且有着更高的效率和更好的灵活性，可变长度让其不但适应使用长矢量寄存器的工作，还能胜任使用短矢量寄存器的任务。  事实上 RISC-V 和 Arm 一样，在指令集类型上有一样的追求。在未来几年，英特尔和 AMD 将面临严峻的挑战，在机器学习、人工智能、数据中心和超算等高性能、高利润的领域，面对的竞争对手并不是彼此，而是 Arm 甚至 RISC-V 这样的新生势力强有力的冲击。Armv9 架构的发布，指明了 Arm 前进的方向，未来的道路已渐露曙光。当了解了这些以后，再看看英伟达想以 400 亿美元买下 Arm，是不是觉得有点超值？ 以上图文均来源于超能网，转载目的在于传递更多信息，并不代表大湾网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题，请在后台联系微信，我们将在第一时间删除内容！ |
