Prozessor: ARMv9-Architektur legt Basis für neue CPUs

Schnellere Vector-Einheiten, extra Beschleuniger für Matrix-Multiplikationen und Enklaven für Apps: Die ARMv9 bringt viele Verbesserungen.

Artikel von Marc Sauter veröffentlicht am 30. März 2021, 21:00 Uhr

Die ARMv9-Architektur erweitert das Feature-Set deutlich. (Bild: ARM)

ARM hat die ARMv9-Architektur vorgestellt, auf welcher kommende Designs vom Microcontroller- über den Smartphone- bis hin zum Server-CPU-Kern basieren sollen. Die Architektur umfasst viele Änderungen verglichen mit der bisherigen ARMv8-Technik und bildet die Grundlage für künftige Versionsschritte.

Die ARMv8 wurde im Oktober 2011 angekündigt, sie integrierte mit AArch64 erstmals eine 64-Bit-Architektur. ARMs erste eigene CPU-Kerne damit waren der Cortex-A57/A53, der erste Consumer-Chip damit war Apples A7 für das iPhone 5S.

Für die nächste Dekade soll es nun ARMv9 richten: Sie orientiert sich an der ARMv8 und erweitert respektive verbessert die Architektur, etwa mit Blick auf die Vector-Einheiten. Parallel zu den Neon-FPUs gibt es bisher die SVE (Scalable Vector Extension), welche in Fujitsus A64FX steckt, der den weltschnellsten Supercomputer namens Fugaku antreibt.

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ARMv9 folgt auf ARMv8. (Bild: ARM)

Mit ARMv9 feiern die SVE2 ihren Einstand, welche nicht rein auf das HPC-Segment (High Performance Computing) beschränkt sind. Stattdessen gibt es Instruktionen für Baseband-Anwendungen wie 4G, für Computer Vision, für Genomik, für maschinelles Lernen und für In-Memory-Computing bei ARM-basierten Server-CPUs.

Ebenfalls neu sind dedizierte Beschleuniger-Einheiten für Matrix-Multiplikationen, wie sie für maschinelles Lernen oft eingesetzt und von Apple schon im A14 Bionic verbaut wurden. Passende Instruktionen gibt es bereits seit ARMv8.6, genauso wie solche für Bfloat16 - in beiden Fällen aber per Neon oder SVE statt per speziell dafür gedachter Hardware.

Realms schützen Apps

Sicherheit ist enorm wichtig für Prozessoren, da heutzutage nahezu alle Daten zu irgendeinem Zeitpunkt von einem ARM-basierten Design verarbeitet werden. Das betrifft insbesondere Microcontroller und Smartphone-SoCs am einen Ende der Kette, längst aber auch Server-CPUs wie AWS' Graviton2 am anderen.

Aus diesem Grund umfasst ARMv9 die Confidential Compute Architecture: Die CCA führt sogenannte Realms ein, quasi abgeschottete Container, da diese vom Betriebssystem und dem Hypervisor entkoppelt sind. Wie genau das vonstatten geht, sagte ARM nicht - klar ist nur, dass die Speicherbereiche von Apps geschützt sein sollen. Hinzu kommen die Memory Tagging Extensions (TME), die mit ARMv8.5 sowie Android 11 eingeführt wurden.

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Erste ARMv9-Designs sollen 2022 erscheinen, ergo Neoverse N2 und Matterhorn. (Bild: ARM)

Welche Cortex-Kerne bereits auf der ARMv9 basieren, gab der Hersteller nicht explizit an. Auf der Roadmap stehen mit Matterhorn und Makalu zwei Designs, die beide mit ARMv9 antreten dürften, da ARM zufolge schon Anfang 2022 erste SoCs mit entsprechenden Kernen erscheinen sollen. Im Serversegment sind Neoverse V1 und Neoverse N2 geplant, wobei CPUs mit Letzterem für 2022 angesetzt sind und auf der ARMv9 basieren sollten.