掌握未来3000亿颗芯片商机 ARMv9 加速特定运算时代的推展
- 李佳玲／台北
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在5G、AI、IoT和超大规模(hyperscale)运算需求的汇聚推动下，未来十年的运算需求将会是甚麽样貌？做为运算及联网革命的核心，以及被广泛运用的处理器架构开发者，ARM透过日前发布的新一代ARMv9架构，勾勒出对未来十年运算的愿景。
随着AI驱动的运算无所不在，ARM台湾总裁曾志光表示，预期未来十年基于ARM架构的芯片出货量将达3,000亿颗，而这些芯片可能被广泛地应用于终端装置、数据网络、边缘运算或云端上。在全盘考量通用性与特定性之间的平衡，以及安全、效能、易于开发、能耗效率等各种因素后，ARMv9正是为了因应此前所未有的创新机会所开发的解决方案。
对台湾科技产业来说，如何以ARM的长远思维，并进而利用ARM所建构的强大生态系统支持，在芯片与系统设计面临转折的关键时刻，掌握未来十年的发展契机，是值得深思的议题。
未来十年的运算需求与挑战
ARMv9的发布，距前一代ARMv8已有十年之久。曾志光表示，过去30年来，已累积了超过1,800亿个基于ARM架构的芯片出货量。现在，从传感器、边缘、网络、到云端，我们看到绝大部分的共享数据在它们生命周期的某个阶段都会藉由ARM的技术来进行处理，因此我们在数年前投入ARMv9开发时，便一直在思考，什麽是未来十年最重要的课题？我们要如何协助开发人员为未来预做准备？
首先，信息安全性是最大的挑战，「数据已成为个人很重要的资产，无论在消费、工业及商业应用中，确保隐私与安全性是亟待解决的问题。」此外，随着多元创新的应用，软件上架成本低，会有越来越多人从事软件开发，未来软件数量将大幅增加，如何让重要信息不被窃取，并使应用程序的开发更简易顺畅，是需要考量的问题。
于此同时，AI和超大型运算应用的普及，将持续推动边缘AI发展，市场对于更低功耗、更强效能具有无尽的需求。对ARMv9来说，如何在推出新指令集的同时，藉由更先进的系统设计，改善效率、带宽、快取大小并降低存储器延迟以提升效能，也是一项挑战。
AI在运算上无所不在带来的另一项挑战是，对于特定处理解决方案的要求，将越来越高。不同的市场区隔、效能，以及使用情境，都将带来不同的运算要求，如何灵活运用CPU、GPU与NPU处理器的硬件与软件能力，以最适方案实现AI工作负载的最佳化，亦是必须克服的。
特定运算的未来 兼顾安全性、AI与系统效能
因此，除了强化安全性、核心效能之外，ARM更试图在通用且具弹性的硬件架构下，打造满足特定运算需求的解决方案，以实现「系统级」效能的最佳化。
曾志光表示，预见此一发展趋势，ARM也从过去以产品线区分，改为以应用市场划分，以因应不同应用对于运算技术的专用需求。
ARM应用工程总监徐达勇补充说，「针对未来芯片的多样化需求，势必要采取特定运算来因应。因此，我们整合ARM CPU、GPU与NPU平台以提供更高的效率、扩充性与弹性。而除了硬件之外，ARM对于建置软件生态系统，亦投入了大量心力。未来是一个强调使用情境最佳化，而非仅仅着眼IP规格本身的时代，软件将扮演更重要的角色。」
对此，ARM正推动SystemReady计划，只要硬件和底层软件符合定义好的系统标准，所有的操作系统都能于其上运行，希望从传感器、边缘到云端，操作系统都能兼容于基于ARM架构的硬件。
曾志光表示，「基于软件定义装置的概念，采用业界广泛运用的ARM架构将能确保开发者的软件投资效益极大化。由于我们无法预期终端装置的效能，为了取得最佳执行效能，未来将会是自行开发软件与云端软件并存，会有越来越多原生于云端的软件运行在边缘装置上，我们希望能广邀合作夥伴共同参与。」
徐达勇强调，对ARM来说，这些努力都是试图在标准化与灵活性之间取得平衡，透过底层软件的标准化，例如在底层系统架构(Base System Architecture；BSA)与底层启动要求(Base Boot Requirement；BBR)定义标准，降低业者移植软件的难度，让业者能聚焦于真正的应用创新，实现差异化设计。
在安全方面，ARMv9推出了机密运算架构(CCA)，首度导入动态设置机密领域(Realm)的概念，保护使用中的数据。曾志光表示，机密领域与既有TrustZone技术的主要差异在于，后者相信底层操作系统是安全的，并把安全和非安全区域相互隔离。而机密领域是透过多一个位址转译，将数据转移至自有机密领域，让操作系统无法探查在机密领域中执行的代码与数据。因此，即使操作系统遭入侵，仍能确保机密领域中两者的安全。
机密领域是TrustZone的进化，藉由与操作系统隔离，为软件提供多一层的保护，即使是手机上动态下载的App，也能因导入机密领域机制，而取得更高的机密性。此外，ARMv9架构还强化对存储器标签扩充(Memory Tagging Extension)功能的支持，透过在存储器中建置标签的方式，保护从CPU传到存储器的数据，以对抗针对存储器安全漏洞的攻击。藉由软硬件的各种保护机制，全面强化安全性。
在数码信号处理(DSP)和AI运算方面，ARM与富士通合作并研发了可扩展的矢量延伸指令集(SVE)技术，而此技术已成为超级电脑富岳的核心。以此为基础，ARMv9导入了SVE的进阶版SVE2，把支持的矢量长度从原来的128位元增加到可变的2048位元。
徐达勇表示，如此大量的平行运算能力，使ARMv9能为5G、虚拟实境、增实境，以及机器学习等工作负载提供更大效能。未来几年，ARM也将透过在CPU内执行矩阵架构的运算来进一步强化此能力。除了扩展AI能力之外，并将持续进行Mali GPU和Ethos NPU中的AI创新。
善用ARM生态系统 加速实现创新与差异化设计
ARMv9架构的发布只是一个开端，业界将持续看到ARM推出新的产品与技术，以实现ARM的愿景：基于通用运算的经济效益、设计自由度与容易存取等优势，提供特定处理能力，协助夥伴在各个市场提供最优异的解决方案，而首款基于ARMv9架构的产品，将于2021年问世。
ARMv9的先进架构，带来了更多的创新可能性，也为台湾科技业者带来新的机会。曾志光表示，「2020年台湾科技业获利表现佳，但因应新时代运算需求，如何走出既有的营运模式，进而提高企业价值的挑战仍然待解。台湾企业已累积了强大的技术底蕴，面对5G、IoT、云端、汽车等各种商机，需要思考长期的获利模式，提高用于创新的投资，才能为未来的成长奠定基础。」
「以ARM为例，我们数年前便开始投入ARMv9研发，以因应趋势发展与夥伴需求与时俱进，ARMv9带给台湾的契机，我认为主要在于提供更多的价值与差异化的可能性，而这正是业者致胜的关键。」
徐达勇解释说，「以智能摄影机为例，从芯片、软件到整机，台湾业者已建构了坚强实力。若能利用ARMv9强化的安全性与AI效能，率先开发出更强大、更安全的产品，例如能达成更高的AI识别率，符合特殊的使用场景，或更佳的产品安全性，以抢占先机，便能进一步提高竞争优势。」
曾志光强调，ARM在台湾已深耕20多年，我们一直致力于协助客户开拓市场，显现价值，台湾拥有很强的设计能力与供应链，期望ARMv9架构推出后，能透过强化生态系统连结，协助业者发挥ARMv9的优异特性，快速推出产品。
「包括智能摄影机、智能监控、个人电脑/笔记本电脑、边缘运算、数据中心、汽车、以及工业电脑等各领域，我们认为台湾业者都有绝佳的机会。」曾志光说明。
联发科技率先采用 新产品年底推出
对ARM来说，近来在5G手机通讯技术有成的联发科技是其指标性的合作夥伴之一。对于与联发科技在ARMv9新架构的合作，除了智能手机之外，曾志光表示，「ARM Neoverse解决方案在恒定的热功耗(TDP)下能支持更多核心数，改善电源效率并提升效能表现，为高效能运算与机器学习等工作负载提供更大的应用潜力，我们与联发科技在消费电子和通信等领域，例如5G无线通讯基站、企业专网、边缘运算、核心网络、数据中心等，也持续有许多讨论，期望能有更多的合作机会。」
在ARMv9全球发布会上，联发科技公开表示，2021年底将推出采用ARMv9架构的智能手机产品。联发科技副总经理暨无线通讯事业部总经理徐敬全博士表示，「联发科技多年来建构了涵盖移动设备、家庭娱乐应用、无线连结技术以及物联网市场的丰富产品线。ARM架构的可扩展性、优异效能和设计创新是联发科技扩大投资组合的关键。」
徐敬全认为，一直以来ARM团队提供的支持与建议，确实对联发科技的持续创新与增强产品，发挥了关键作用。他看好ARMv9架构在提升安全性、运算效能及能效方面的表现，透过ARM多元的解决方案，包含高效能、低功耗设计及系统平台的增性，未来将持续与ARM在各个领域展开密切结合，以为不同应用场景推出更为完整的技术解决方案。
此点正呼应了曾志光所强调的 ─ 希望能协助夥伴利用ARM所打造的核心架构、强大的生态系统以及软件支持，扩大市场并带来商机。期许ARMv9能成为次时代芯片设计的基础，并成为提升企业竞争力与技术创新的契机。
延伸阅读：了解ARMv9架构、观看影片及下载机密运算调查报告。
