ARMv9, svelata l'architettura del prossimo decennio: prestazioni, sicurezza e IA

A quasi dieci anni di distanza dalla presentazione di ARMv8, la britannica ARM (in procinto di passare nelle mani di Nvidia) ha svelato le prime informazioni su ARMv9, l'ISA (Instruction Set Architecture) che segnerà il prossimo decennio e che vedremo, si stima, a bordo di 300 miliardi di chip.

ARMv8 ha scandito il passaggio dei chip ARM ai 64 bit (AArch64), estendendo il raggio d'azione dal mondo mobile a praticamente qualsiasi altro settore di mercato grazie a vari miglioramenti ed estensioni: ARMv9 rappresenta un'ulteriore evoluzione, forse meno marcata del salto da ARMv7 ad ARMv8, ma comunque significativa a tal punto da cambiare numerazione. ARMv9 si fonda infatti su tre pilastri: sicurezza, intelligenza artificiale e maggiori prestazioni.

Confidential Compute Architecture (CAA)

Partendo dal primo elemento, ARM ha ripensato il suo approccio e ha introdotto quella che definisce Confidential Compute Architecture (CAA). L'obiettivo dell'azienda britannica è passare dall'attuale modello in cui le applicazioni devono fidarsi intrinsecamente del sistema operativo e dell'hypervisor su cui sono in esecuzione a un nuovo concetto basato su "regni" (Realms).

Il modello di sicurezza tradizionale si basa infatti sul fatto che i livelli di software con privilegi più elevati possono vedere nell'esecuzione dei livelli inferiori, e questo può diventare un problema quando il sistema operativo o l'hypervisor vengono compromessi.

Con quelli che ARM chiamata "regni dinamici" (dynamic realms), si creano ambienti di esecuzione "containerizzati" totalmente opachi al sistema operativo e all'hypervisor (altre aziende parlano di enclavi). E mentre l'hypervisor dovrebbe comunque esistere facendosi carico di scheduling e dell'allocazione delle risorse, i regni saranno gestiti da una nuova entità chiamata "realm manager". Le applicazioni all'interno del regno dovrebbero essere in grado di attestare l'attendibilità di un gestore, cosa non possibile con un hypervisor tradizionale.

Oltre a questo, ARMv9 guadagna le Memory Tagging Extensions (MTE), utili per affrontare due dei problemi di sicurezza più diffusi che interessano la memoria: buffer overflow e use-after-free. MTE è pensato per facilitare l'identificazione di questi problemi taggando i puntatori al momento dell'assegnazione e controllandoli durante l'uso.

SVE2 per machine learning e non solo

Per permettere ai futuri SoC di offrire migliorate capacità di machine learning (ML) e digital signal processing (DSP), ARM ha sviluppato SVE2, ossia la seconda generazione delle Scalable Vector Extensions. L'azienda britannica vuole portare un maggior numero di carichi ML - quelli di portata ridotta e non troppo complessi - sui core delle proprie CPU grazie a un sostanziale miglioramento delle capacità di moltiplicazione delle matrici, in affiancamento a quanto già fanno i DSP, le GPU e le NPU.

Le SVE2 seguono la prima generazione di queste estensioni, annunciata nel 2016 e implementata per la prima volta nei core A64FX di Fujitsu che "muovono" il supercomputer numero uno al mondo in questo momento, il giapponese Fukagu. Il problema delle SVE di prima generazione è che sono molto specifiche per il settore HPC e ARM aveva bisogno di qualcosa con una portata più ampia, come le ben note estensioni NEON.

Prestazioni: con Matterhorn e Makalu l'IPC sale del 30%

Con le CPU basate su ARMv9 si punta, almeno per le prossime due generazioni di progetti destinati al mondo mobile - Matterhorn e Makalu, già anticipati nei mesi scorsi - a un miglioramento prestazionale fino al 30% entro il 2022 rispetto ai core X1 / A78 attuali. Nella roadmap vedete anche i progetti Neoverse V1 e Neoverse N2, rispettivamente per il mondo HPC e server.

In una slide l'azienda britannica evidenzia come il settore mobile abbia visto crescere le prestazioni di 2,5 volte dal 2016 a oggi, e quindi il boost atteso entro il prossimo anno appare limitato. In realtà, secondo ARM, i progettisti possono spremere ulteriori prestazioni lavorando sulla piattaforma nel suo complesso, ottimizzando aspetti come i percorsi di memoria, la cache, la frequenza e molto altro ancora.

Infine, ARM ha parlato a grandi linee del futuro delle GPU Mali, rivelando come stia lavorando su tecnologie come il VRS (Variabile Rate Shading) e, non avevamo dubbi, anche il Ray Tracing. Dopo i PC e le console preparatevi quindi, presto o tardi, all'arrivo del ray tracing nel settore mobile.

CPU ARMv9, quando i primi prodotti?

ARM, insieme al CTO di MediaTek Kevin Jou, ha affermato che il primo smartphone basato su SoC MediaTek ARMv9 sarà "disponibile commercialmente entro la fine dell'anno". Più in generale aspettatevi progetti e prodotti in vari settori di mercato nel 2022.