Arm架構在如今的電子行業中可以說是無處不在。自1990年Arm公司正式成立Armv4架構到2011年Armv8架構，短短21年架構經過了5次重大升級。而Armv8意味著Arm正是從AArch32邁進AArch64，憑借強大的實力在過去的五年基于Arm架構的設備出貨量超過了1000億。

十年轉瞬，Armv9架構終于露出廬山真面目，適用于Arm全系列芯片的Armv9架構，這次的升級瞄準的則是日益強大的安全、人工智能（AI）和無處不在的專用處理的需求。實際上，Armv9架構的推出也與正預示著行業的發展方向。憑借新架構，Arm提出了3000億的目標。

Armv9的三個技術特性

根據Arm高級副總裁、首席架構師兼技術院士Richard Grisenthwaite的介紹，Armv9架構是基于Armv8既往成功的基礎，并增添了針對矢量處理的DSP、機器學習ML、安全等這三個技術特性。

Armv8之所以“統治”市場十年之久，最大的升級點便是引入了64架構，即AArch64，這也是Arm版本升級最大的一次改變。除此之外，AArch64摒棄了此前的處理器模式、優先級級別等傳統概念，提出了EL（Exception level），并在兼容設計上定義了兩套運行環境ES（Execution state）。這些也都被Armv9所繼承，可以說Armv9是集大成者，將Arm三十多年的核心完美繼承下來。

矢量處理的DSP、機器學習ML處理能力提升要歸功于可伸縮矢量擴展（SVE2）和矩陣乘法指令的引入。相比SVE的128位矢量，SVE2可以支持多倍128位運算，最多2048位，因此才有如此魔力可以增強對在CPU上本地運行的5G系統、虛擬和增強現實以及ML工作負載的處理能力。

根據Richard Grisenthwaite的介紹，SVE2增強多項DSP和機器學習ML處理能力，例如Scatter-Gather DMA直接存儲器訪問，把它放到CPU架構中，能實現更多的循環，更大的DSP處理能力，從而支持更多的并行化。

安全能力提升則主要是通過Arm推出的全新的機密計算架構CCA（Confidential Compute Architecture）實現，根據介紹CCA通過打造基于硬件的安全運行環境來執行計算，保護部分代碼和數據，免于被存取或修改，甚至不受特權軟件的影響。同時還將基于此前的TrustZone安全技術引入動態創建機密領域（Realms）的概念，機密領域面向所有應用，運行在獨立于安全或非安全環境之外的環境中，以實現保護數據安全的目的。

Armv9在算力上的提升

提到架構的升級，就離不開算力這一個話題，Armv9架構能夠為Arm后兩代產品提供30%的性能提升。根據介紹，以智能手機等移動平臺使用的Cortex-X/A系列為例，X1/A78這一代的性能相比16nm A72提升2.5倍，下一代的Matterhorn架構及Makalu架構會保持30%以上的IPC性能提升。

除了CPU性能以外，Armv9還非常重視整體的性能提升，包括降低內存延遲（從150ns降至90ns）、頻率提升（從2.6GHz到3.3GHz）內存帶寬（從20GB/s到60GB/s）、緩存等。

Richard Grisenthwaite強調，Arm在新一代架構Armv9上將保持這個速度，預計未來兩代移動和基礎設施CPU的性能提升將超過30%。，這個數據是根據業界標準評測工具來衡量的，而且這樣30%的算力提升完全是憑借于本身的架構而不是借助于制程工藝來實現。

另外，隨著摩爾定律正在放緩，如何進一步提升算力呢？他認為，Arm將通過最大化地提升頻率、帶寬、緩存大小、并減少內存延遲，以最大化CPU性能。

除了CPU，Arm還表示Mali GPU會增加更多高級功能，例如VRS可變幀率渲染、RT光線追蹤及其他高級渲染技術等。

由Armv9引發的市場競爭力

實際上，在去年Arm發布Arm? Cortex?-M55處理器和Arm Ethos?-U55神經網絡處理器（NPU）兩款重磅“性能炸彈”時，就已開始蓄力發展人工智能（AI）。Cortex-M55是Arm歷來AI能力最為強大的Cortex-M處理器，能夠大幅提升DSP與ML的性能，同時更省電。

反觀行業趨勢，應用開始要求提供更高的數字信號處理（DSP）性能，實時算法的復雜程度增加和浮點算法趨勢下，DSP核或硬件加速單元越來越多被部署內嵌在器件之中。DSP一直影響著下一代產品創新，這是因為許多算法在字長和動態范圍有著很高的要求，DSP可免去定點到浮點的轉化工作加速產品上市，另外DSP浮點計算成本越來越接近定點計算。正因如此，便形成了Arm+DSP內核的黃金搭檔。

另外，行業也正在將越來越多的機器學習工作負載變得更加普遍，雖然機器學習有著許多專用的加速器，不過相比來說大量的小范圍機器學習的主力仍然是CPU，因此矩陣乘法指令成為關鍵。

在安全性能上，Arm曾在此前進行了多維度的功能增強，包括PSA認證、TrustZone等。目前PSA認證已經有有超過35個合作伙伴提供的60多種認證產品，而新推出的CCA則也將基于TrustZone提供更加安全的架構。

從Armv9著眼的點來看，行業正逐漸對算力功耗平衡性和安全性能要求提高。Arm架構可用在物聯網的大部分設備之上，因此對這兩項要求更加吃緊。大數據時代爆炸量的信息增長下，一方面將計算分成了多個維度，另一方面將會對數據安全提出更高的要求。

根據Arm的介紹，搭載ARMv9處理器的芯片最快在2021年年底就會面世，物聯網發展日趨成熟，這個時間點恰好提升競爭力的好時機。市場或將擁有追求極致計算性能的高端產品、超低功耗的省電高手、主打安全可靠的產品。而Armv9經過架構的更新，能夠從底層和非制程方向進行大改革，相信能為市場帶來新的競爭力。

而在廣為受關注的國內授權問題上，Arm強調：“Arm既有源于美國的IP，也有非源于美國的IP。經過全面的審查，Arm確定其Armv9架構不受美國出口管理條例（EAR）的約束。Arm已將此通知美國政府相關部門，我們將繼續遵守美國商務部針對華為及其附屬公司海思的指導方針。”
編輯：lyn