Η αρχιτεκτονική ARMv9 φέρνει SVE2 και νέα χαρακτηριστικά ασφαλείας

Η μεγαλύτερη αναθεώρηση της ARM στην αρχιτεκτονική συνόλων εντολών της εδώ και μια δεκαετία είναι εδώ - ARMv9 - με ενσωματωμένο SVE2 και άλλα χαρακτηριστικά ασφαλείας.

Νωρίτερα σήμερα, ως μέρος της εκδήλωσης Vision Day, η ARM αποκάλυψε ορισμένες λεπτομέρειες σχετικά με τη νέα της αρχιτεκτονική ARMv9, η οποία η εταιρεία αναμένει ότι θα χρησιμοποιηθεί σε πάνω από 300 δισεκατομμύρια τσιπ αυτή τη δεκαετία.

Η τελευταία σημαντική αναθεώρηση του ISA της ARM ήταν το v8, το οποίο παρουσιάστηκε τον Οκτώβριο του 2011 με το σύνολο εντολών AArch64 64-bit. Ωστόσο, η ARM έχει επεκτείνει το ARMv8 με την πάροδο των ετών με νέες δυνατότητες όπως το Memory Tagging στο ARMv8.5. Με το ARMv9, η εταιρεία είναι συνεχίζει να χρησιμοποιεί το AArch64 ως βασικό σετ εντολών, αλλά το έχει επεκτείνει με νέες δυνατότητες που στοχεύουν στη βελτίωση της ασφάλειας και εκτέλεση.

Σύμφωνα με την ARM, εδώ είναι τα κύρια νέα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής ARMv9-A:

  • SVE2: επέκταση του πλεονεκτήματος των κλιμακούμενων διανυσμάτων σε πολλές περισσότερες περιπτώσεις χρήσης
  • Επέκταση διαχείρισης πεδίου (RME): επεκτείνοντας το Confidential Compute on Arm πλατφόρμες σε όλους τους προγραμματιστές.
  • BRBE: παροχή πληροφοριών προφίλ, όπως Auto FDO
  • Ενσωματωμένη επέκταση ίχνους (ETE) και Trace Buffer Extension (TRBE): βελτιωμένες δυνατότητες εντοπισμού για Armv9
  • TME: υποστήριξη συναλλακτικής μνήμης υλικού για την αρχιτεκτονική Arm
Πηγή: ARM. Μέσω: AnandTech.

Για μια βαθύτερη βουτιά στις αλλαγές υψηλού επιπέδου που έρχονται με το ARMv9, προτείνω να διαβάσετε την αναφορά του Andrei Frumusanu στο AnandTech, αλλά θα σας δώσω μια σύνοψη των βασικών αλλαγών που πρέπει να γνωρίζετε.

Το NEON διαδέχθηκε το SVE2

Το NEON είναι μια προηγμένη επέκταση αρχιτεκτονικής πολλαπλών δεδομένων μιας εντολής (SIMD). Το SIMD εδώ αναφέρεται σε μια μεμονωμένη εντολή που λειτουργεί σε πολλαπλά στοιχεία δεδομένων παράλληλα. Αυτά τα στοιχεία δεδομένων οργανώνονται σε καταχωρητές που περιέχουν διανύσματα bit.

Οι κλιμακούμενες διανυσματικές επεκτάσεις, ή SVE, είναι μια επέκταση στο ARMv8.2 ή μεταγενέστερο που επεκτείνει τη διανυσματική επεξεργασία ικανότητα του AArch64 να ανταποκρίνεται στις υπολογιστικές απαιτήσεις των εργασιών και της μηχανής υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC) μάθηση. Είναι σημαντικό ότι επιτρέπει επίσης μήκη καταχωρητών διανυσμάτων μεταξύ 128 και 2048 bit. Από την άποψη της ανάπτυξης λογισμικού, το πλεονέκτημα ενός μήκους μεταβλητού διανυσματικού καταχωρητή είναι ότι ο κώδικας χρειάζεται να μεταγλωττιστεί μόνο μία φορά για να αξιοποιήσει πλήρως τις μελλοντικές CPU με μεγαλύτερους διανυσματικούς καταχωρητές. Ομοίως, αυτός ο κώδικας μπορεί επίσης να εκτελεστεί σε CPU με λιγότερες αγωγές εκτέλεσης SIMD, όπως αυτές σε συσκευές IoT.

Καθώς το SVE στόχευε περισσότερο σε φόρτους εργασίας HPC και επίσης δεν ήταν τόσο ευέλικτο σετ εντολών όπως το NEON, η ARM παρουσίασε το SVE2 στις αρχές του 2019 για να αντιμετωπίσει αυτά τα ζητήματα. Το SVE2 πρόσθεσε νέες οδηγίες που στοχεύουν φόρτους εργασίας DSP που εξακολουθούν να βασίζονται στο NEON. Τώρα με το ARMv9, το SVE2 διαδέχεται το NEON ως βασικό χαρακτηριστικό των επεξεργαστών ARMv9.

Βελτιώσεις μηχανικής μάθησης

Η ARM βλέπει ότι οι φόρτοι εργασίας μηχανικής εκμάθησης γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς την επόμενη δεκαετία, γι' αυτό προηγούμενες αναθεωρήσεις στο ARMv8 εισήγαγε νέες οδηγίες πολλαπλασιασμού πινάκων. Αυτά θα είναι βασικά χαρακτηριστικά των CPU ARMv9, επιτρέποντας σε μικρότερους φόρτους εργασίας ML να εκτελούνται απευθείας στην CPU και όχι σε αποκλειστικούς επιταχυντές. Προφανώς, η εκτέλεση φόρτου εργασίας ML σε αποκλειστικούς επιταχυντές είναι επιθυμητή όταν κάποιος προτιμά τη γρήγορη απόδοση ή την απόδοση ισχύος, αλλά δεν είναι πάντα δυνατό να το κάνει σε όλο το υλικό.

Πηγή: ARM. Μέσω: AnandTech.

Εμπιστευτική Υπολογιστική Αρχιτεκτονική του ARMv9

Σε μια προσπάθεια βελτίωσης της ασφάλειας, το ARMv9 εισάγει μια νέα Αρχιτεκτονική Εμπιστευτικής Υπολογιστικής (CCA). Οπως και AnandTech εξηγεί, το CCA της ARM είναι μια μετατόπιση από την τρέχουσα κατάσταση στοίβας λογισμικού όπου οι ασφαλείς εφαρμογές που εκτελούνται σε μια συσκευή πρέπει να εμπιστεύονται το λειτουργικό σύστημα και τον υπερεπόπτη στον οποίο εκτελούνται. Το τρέχον μοντέλο ασφάλειας βασίζεται στο γεγονός ότι περισσότερα προνομιακά επίπεδα λογισμικού μπορούν να παρακολουθούν το εκτέλεση λιγότερο προνομιούχων επιπέδων λογισμικού, τα οποία μπορεί να είναι προβληματικά όταν το λειτουργικό σύστημα ή ο hypervisor είναι σε κίνδυνο.

Ο τρόπος με τον οποίο το CCA επιλύει αυτό το πρόβλημα είναι δημιουργώντας δυναμικά "βασίλεια", τα οποία είναι ασφαλή περιβάλλοντα εκτέλεσης με κοντέινερ που είναι αδιαφανή για το λειτουργικό σύστημα ή τον hypervisor. Οι εφαρμογές εντός "βασιλείων" μπορούν να πιστοποιήσουν την αξιοπιστία τους σε έναν "διαχειριστή σφαίρας", κώδικα που είναι ένα κλάσμα του μεγέθους ενός hypervisor, ο οποίος είναι πλέον αποκλειστικά υπεύθυνος για την κατανομή πόρων και τον προγραμματισμό. Το πλεονέκτημα της χρήσης "βασιλείων" είναι ότι μειώνεται η αλυσίδα εμπιστοσύνης, επιτρέποντας την ασφάλεια εφαρμογές που θα εκτελούνται σε οποιαδήποτε συσκευή ανεξάρτητα από το υποκείμενο λειτουργικό σύστημα στο οποίο θα είναι διαφανές θέματα ασφάλειας.

Πηγή: ARM. Μέσω: AnandTech.

Σύμφωνα με AnandTech, η ARM δεν διευκρίνισε πώς ακριβώς διαχωρίζονται τα "βασίλεια" από το λειτουργικό σύστημα και τον hypervisor, αλλά υποθέστε ότι αυτός ο διαχωρισμός προέρχεται από χώρους διευθύνσεων που υποστηρίζονται από υλικό που δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με ο ένας τον άλλον.

Μελλοντικά σχέδια CPU και GPU ARM

Αν και δεν σχετίζεται άμεσα με το ARMv9, η ARM μοιράστηκε τις προβλεπόμενες προσδοκίες απόδοσης για μελλοντικά σχέδια CPU που βασίζονται σε v9. Κατά τις επόμενες δύο γενιές σχεδίων πυρήνων IP για κινητά, η ARM αναμένει συνολικά κέρδη 30% στην απόδοση IPC. Αυτό σημαίνει ότι η πραγματική αύξηση της απόδοσης από γενιά σε γενιά ανέρχεται σε περίπου 14%, όπως AnandTech εξηγεί. Σαφώς, ο ρυθμός βελτίωσης έχει επιβραδυνθεί κάπως σε σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια.

Είδαμε πώς οι υλοποιήσεις CPU από εταιρείες όπως η Qualcomm, η Samsung και η Huawei δεν επιτυγχάνουν τις αναμενόμενες προβλέψεις απόδοσης νέων σχεδίων πυρήνων ARM, γεγονός που επισημαίνει η ARM σε μια διαφάνεια που περιγράφει λεπτομερώς πώς μπορεί να βελτιωθεί η απόδοση της CPU βελτιώνοντας τη διαδρομή μνήμης, τις κρυφές μνήμες ή τις συχνότητες.

Πηγή: ARM. Μέσω: AnandTech.

Ωστόσο, το ARMv9 υπόσχεται να φέρει ευπρόσδεκτες βελτιώσεις στην απόδοση, την ασφάλεια και τη μηχανική εκμάθηση όταν οι νέοι επεξεργαστές που βασίζονται στο ISA αποστέλλονται σε εμπορικές συσκευές στις αρχές του 2022.

Όσον αφορά τις μελλοντικές GPU του Μάλι, η ARM αποκάλυψε ότι εργάζεται σε τεχνολογίες όπως η σκίαση μεταβλητού ρυθμού (VRS) και η ανίχνευση ακτίνων. Αυτά τα χαρακτηριστικά έχουν γίνει δημοφιλή μεταξύ του υλικού υψηλής τεχνολογίας GPU PC και της ένατης γενιάς κονσολών βιντεοπαιχνιδιών, όπως PlayStation 5 της Sony και Xbox Series X/S της Microsoft.

Πηγή: ARM. Μέσω: AnandTech.

Πιστώσεις προβεβλημένων εικόνων: ARM μέσω AnandTech