สถาปัตยกรรม ARMv9 นำเสนอ SVE2 และคุณสมบัติความปลอดภัยใหม่

ก่อนหน้านี้ในวันนี้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของงาน Vision Day ARM ได้เปิดเผยรายละเอียดบางอย่างเกี่ยวกับสถาปัตยกรรม ARMv9 ใหม่ ซึ่งบริษัทคาดว่าจะใช้ในชิปมากกว่า 300 พันล้านชิปในทศวรรษนี้

การแก้ไขครั้งสำคัญครั้งล่าสุดใน ISA ของ ARM คือเวอร์ชัน 8 ซึ่งเปิดตัวในเดือนตุลาคม 2554 พร้อมด้วยชุดคำสั่ง AArch64 64 บิต อย่างไรก็ตาม ARM ได้ขยาย ARMv8 ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาด้วยคุณสมบัติใหม่ เช่น การแท็กหน่วยความจำใน ARMv8.5 ด้วย ARMv9 บริษัทจึงเป็นเช่นนั้น ยังคงใช้ AArch64 เป็นชุดคำสั่งพื้นฐาน แต่ได้ขยายออกไปด้วยคุณสมบัติใหม่ที่มุ่งปรับปรุงความปลอดภัยและ ผลงาน.

จากข้อมูลของ ARM ต่อไปนี้เป็นคุณสมบัติใหม่ที่สำคัญของสถาปัตยกรรม ARMv9-A:

• SVE2: ขยายประโยชน์ของเวกเตอร์ที่ปรับขนาดได้ไปยังกรณีการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย
• ส่วนขยายการจัดการขอบเขต (RME): ขยายแพลตฟอร์ม Confidential Compute on Arm ให้กับนักพัฒนาทุกคน
• บีบีอาร์อี: ให้ข้อมูลโปรไฟล์ เช่น Auto FDO
• ส่วนขยายการติดตามแบบฝัง (ETE) และ ติดตามส่วนขยายบัฟเฟอร์ (TRBE): เพิ่มความสามารถในการติดตามสำหรับ Armv9
• ทีเอ็มอี: รองรับหน่วยความจำธุรกรรมฮาร์ดแวร์สำหรับสถาปัตยกรรม Arm

หากต้องการเจาะลึกยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงระดับสูงที่มาพร้อมกับ ARMv9 ฉันขอแนะนำให้อ่านการรายงานของ Andrei Frumusanu ที่ อานันท์เทคแต่ฉันจะให้ข้อมูลสรุปการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่คุณควรทราบ

NEON ประสบความสำเร็จโดย SVE2

NEON เป็นส่วนขยายสถาปัตยกรรมข้อมูลหลายคำสั่งขั้นสูง (SIMD) SIMD ในที่นี้หมายถึงคำสั่งเดียวที่ทำงานบนรายการข้อมูลหลายรายการพร้อมกัน รายการข้อมูลเหล่านี้ถูกจัดระเบียบเป็นรีจิสเตอร์ที่เก็บเวกเตอร์ของบิต

Scalable Vector Extensions หรือ SVE เป็นส่วนขยายของ ARMv8.2 หรือใหม่กว่าที่ขยายการประมวลผลเวกเตอร์ ความสามารถของ AArch64 เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการประมวลผลของงานคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง (HPC) และเครื่องจักร การเรียนรู้. ที่สำคัญยังอนุญาตให้มีความยาวการลงทะเบียนเวกเตอร์ระหว่าง 128 ถึง 2048 บิต จากจุดยืนในการพัฒนาซอฟต์แวร์ ประโยชน์ของความยาวรีจิสเตอร์เวกเตอร์แบบแปรผันก็คือ โค้ดจำเป็นต้องได้รับการคอมไพล์เพียงครั้งเดียวเพื่อใช้ประโยชน์จาก CPU ในอนาคตที่มีรีจิสเตอร์เวกเตอร์ที่ยาวกว่า ในทำนองเดียวกัน โค้ดดังกล่าวยังสามารถทำงานบน CPU ที่มีไปป์ไลน์การดำเนินการ SIMD น้อยกว่า เช่น ในอุปกรณ์ IoT

เนื่องจาก SVE มุ่งเป้าไปที่ปริมาณงาน HPC มากขึ้น และชุดคำสั่งก็ไม่อเนกประสงค์เท่า NEON ARM จึงเปิดตัว SVE2 ในต้นปี 2019 เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ SVE2 เพิ่มคำสั่งใหม่ซึ่งกำหนดเป้าหมายไปที่ปริมาณงาน DSP ที่ยังคงต้องใช้ NEON ขณะนี้ด้วย ARMv9 ทำให้ SVE2 เข้ามาแทนที่ NEON ในฐานะคุณสมบัติพื้นฐานของ CPU ARMv9

การปรับปรุงการเรียนรู้ของเครื่อง

ARM มองว่าปริมาณงานการเรียนรู้ของเครื่องกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในทศวรรษหน้า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม การแก้ไขก่อนหน้าเป็น ARMv8 แนะนำคำแนะนำการคูณเมทริกซ์ใหม่ คุณสมบัติเหล่านี้จะเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของ CPU ARMv9 ซึ่งช่วยให้ปริมาณงาน ML ในขอบเขตที่เล็กกว่าสามารถทำงานบน CPU ได้โดยตรง แทนที่จะใช้ตัวเร่งความเร็วเฉพาะ แน่นอนว่าการรันเวิร์กโหลด ML บนตัวเร่งความเร็วเฉพาะนั้นเป็นที่ต้องการเมื่อเราต้องการประสิทธิภาพที่รวดเร็วหรือประสิทธิภาพการใช้พลังงาน แต่ก็ไม่สามารถทำได้บนฮาร์ดแวร์ทั้งหมดเสมอไป

สถาปัตยกรรมการประมวลผลที่เป็นความลับของ ARMv9

ในความพยายามที่จะปรับปรุงความปลอดภัย ARMv9 ขอแนะนำ Confidential Compute Architecture (CCA) ใหม่ เช่น อานันท์เทค อธิบายว่า CCA ของ ARM เป็นการเปลี่ยนแปลงจากสถานการณ์สแต็กซอฟต์แวร์ในปัจจุบัน ซึ่งแอปพลิเคชันที่ปลอดภัยที่ทำงานบนอุปกรณ์จะต้องเชื่อถือระบบปฏิบัติการและไฮเปอร์ไวเซอร์ที่พวกเขากำลังใช้งานอยู่ รูปแบบการรักษาความปลอดภัยในปัจจุบันสร้างขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าซอฟต์แวร์ที่มีสิทธิพิเศษมากกว่าสามารถตรวจสอบได้ การดำเนินการของระดับซอฟต์แวร์ที่มีสิทธิพิเศษน้อยกว่า ซึ่งอาจเป็นปัญหาได้เมื่อระบบปฏิบัติการหรือไฮเปอร์ไวเซอร์เกิดขึ้น ถูกบุกรุก

CCA แก้ไขปัญหานี้ได้อย่างไรโดยการสร้าง "อาณาจักร" แบบไดนามิก ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมการดำเนินการที่ปลอดภัยและมีคอนเทนเนอร์ซึ่งไม่ชัดเจนสำหรับระบบปฏิบัติการหรือไฮเปอร์ไวเซอร์ แอปภายใน "ขอบเขต" สามารถยืนยันความน่าเชื่อถือของตนต่อ "ผู้จัดการขอบเขต" ซึ่งเป็นโค้ดที่มีขนาดเพียงเศษเสี้ยวของไฮเปอร์ไวเซอร์ ซึ่งขณะนี้มีหน้าที่รับผิดชอบในการจัดสรรและกำหนดเวลาทรัพยากรแต่เพียงผู้เดียว ประโยชน์ของการใช้ "อาณาจักร" คือสายโซ่แห่งความไว้วางใจลดลง ทำให้เกิดความปลอดภัย แอปพลิเคชันที่จะรันบนอุปกรณ์ใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงระบบปฏิบัติการพื้นฐานซึ่งจะมีความโปร่งใส ปัญหาด้านความปลอดภัย.

ที่มา: ARM. ทาง: อานันท์เทค.

ตาม อานันท์เทคARM ไม่ได้ให้รายละเอียดแน่ชัดว่า "อาณาจักร" ถูกแยกออกจากระบบปฏิบัติการและไฮเปอร์ไวเซอร์อย่างไร แต่แยกจากกัน คาดเดาว่าการแยกนี้เกิดจากการพื้นที่ที่อยู่ที่ได้รับการสนับสนุนจากฮาร์ดแวร์ซึ่งไม่สามารถโต้ตอบได้ กันและกัน.

การออกแบบ CPU และ GPU ARM ในอนาคต

แม้ว่าจะไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับ ARMv9 แต่ ARM ได้แบ่งปันความคาดหวังด้านประสิทธิภาพที่คาดการณ์ไว้สำหรับการออกแบบ CPU ที่ใช้ v9 ในอนาคต ในอีกสองเจเนอเรชันของการออกแบบหลัก IP สำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ ARM คาดว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพ IPC รวม 30% นั่นหมายถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นตามจริงในยุคนั้นอยู่ที่ประมาณ 14% อานันท์เทค อธิบาย เห็นได้ชัดว่าอัตราการปรับปรุงชะลอตัวลงบ้าง เมื่อเทียบกับปีก่อน.

เราได้เห็นแล้วว่าการใช้งาน CPU ของบริษัทต่างๆ เช่น Qualcomm, Samsung และ Huawei ไม่บรรลุผลตามที่คาดหวังไว้ ของการออกแบบแกน ARM ใหม่ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่ ARM ชี้ให้เห็นในสไลด์ที่ให้รายละเอียดว่าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของ CPU ได้อย่างไรโดยการปรับปรุงเส้นทางหน่วยความจำ แคช หรือความถี่

ที่มา: ARM. ทาง: อานันท์เทค.

อย่างไรก็ตาม ARMv9 สัญญาว่าจะนำการปรับปรุงที่น่ายินดีมาสู่ประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และการเรียนรู้ของเครื่อง เมื่อ CPU ใหม่ที่ใช้ ISA จัดส่งในอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ในต้นปี 2565

สำหรับ Mali GPU ในอนาคต ARM ได้เปิดเผยว่ากำลังพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ เช่น Variable Rate Shading (VRS) และ Ray Tracing คุณสมบัติเหล่านี้ได้รับความนิยมในหมู่ฮาร์ดแวร์ PC GPU ระดับไฮเอนด์และคอนโซลวิดีโอเกมรุ่นที่เก้า เช่น เพลย์สเตชัน 5 ของโซนี่ และ Xbox Series X/S ของ Microsoft.

เครดิตภาพเด่น: ARM via อานันท์เทค