معماری مجموعه دستورالعمل ARMv9 رسماً معرفی شد؛ ارتقای ویژه امنیت و هوش مصنوعی

یک دهه پیش بود که شرکت ARM به صورت رسمی معماری مجموعه دستورالعمل یا ISA محبوب ARMv8 را به صورت رسمی معرفی کرد و همه پردازنده‌هایی که این روزها در گوشی‌های من و شما دیده می‌شود از آن استفاده می‌کنند. اما برای بروزرسانی و حرکت هر چه بهینه‌تر در راستای ارتقای سیستم‌ها در دنیای آینده نیاز به بروزرسانی این وجه مهم دنیای پردازنده‌هاست و به همین دلیل این شرکت ISA جدید خود موسوم به ARMv9 را معرفی کرده است.

این هفته را باید یکی از مهمترین روزها طی چندین سال گذشته برای دنبال‌کنندگان دنیای ریزپردازنده‌های موبایل بدانیم. هفته‌ای که در آن ARMv9 به صورت رسمی معرفی شده و قرار است آینده چندین سال آینده در دنیای موبایل روی دوش این مجموعه دستورالعمل جدید شکل گیرد.

طبق آنچه شرکت ARM اعلام کرده نسخه 9 معماری مجموعه دستورالعمل‌های اختصاصی آن به طراحان اجازه خواهد داد تا SoCهایی با چندین شتاب‌دهنده ویژه برای اعمال خاص مانند پردازش هوش صمنوعی، یادیگری ماشین، پردازش سیگنال و حتی بخش‌های امنیتی را در داخل یک واحد SoC با یک ساختار واحد جای دهند.

شرکت ARM معتقد است که SoCها و CPuهایی با شتاب‌دهنده‌های خاص می‌توانند عملکرد بهتری در برخورد با چالش‌های روز دنیای ما داشته باشند و به صورت بهینه‌تری با آنچه روبرو شوند.

در سال 2011 که ARMv8 برای اولین بار توسط این شرکت معرفی شد بود که دستورالعمل‌های 64 بیتی برای اولین بار پای خود را به دنیای موبایل گذاشتند. همراه با آنها دستورالعمل‌های SIMD پیشرفته، افزونه‌های رمزنگاری، مجازی‌سازی، اینترفیس هاب منسجم (AMBA5 CHI) و بسیاری از فناوری‌های بنیادین طراحی تراشه وارد دنیای موبایل شدند.

می‌توان اینطور گفت که ARMv8 خود یک جهش بزرگ در دنیای پردازش موبایل بود که به CPU موبایل اجازه می‌داد بتواند همه وظایفی که یک دستگاه و سیستم نیاز دارد را به صورت مستقل انجام دهد.

از آنجایی که این ایده برای مدت‌ها در حاشیه بود و پس از آن با بسیاری از واحد‌های ثالث مانند واحدهای پردازش هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، واحدهای IoT، پردازش سیگنال که نه تنها از ایده ARM سریعتر بلکه بهینه‌تر بودند جایگزین شد، می‌توانستیم انتظار داشته باشیم که برای جبران این شکاف ایجاد شده در ISA، تدبیری مناسب اندیشیده شود.

به همین منظور بود که ARM تصمیم به تعریف معماری مجموعه دستورالعمل جدیدی گرفت که نه تنها به صورت عمومی سرعت بالاتری داشته باشد بلکه برای ساخت SoCهای همه منظوره که هدف آنها جای‌گرفتن در همه دستگاه از سیتم‌های IoT گرفته تا سرورهاست، بهینه‌تر و سریعتر باشند.

شایان ذکر است که ARM انتظار دارد CPUهایی که بر پایه ARMv9 طراحی و ساخته می‌شوند بتوانند تا 30 درصد کارایی بهتر را طی دو نسل آینده زیرساخت‌های پردازشی دنیای موبایل فراهم کنند که خود می‌تواند جهشی محسوس در پردازنده‌های تحت PC، سرور، گوشی‌های هوشمند و کلیه دستگاه‌های بر پایه ARM ایجاد کرده و با روند نمایی افزایش کارایی آنها هماهنگ باشد.

شرکت معرف این مجموعه دستورالعمل معتقد است که علاوه بر بهبود کارایی پردازش همه‌منظوره، اهداف بنیادین دیگری نیز با ARMv9 دنبال شده‌اند. از جمله این اهداف می‌توان به افزایش سطح پایداری سیستم، روش‌هایی کارآمد برای افزایش فرکانس، پهنای باند و میزان حافظه کش و همچنین کاهش تأخیر حافظه برای تقویت کارایی پردازنده‌های بر مبنای ARMv9 اشاره کرد.

در همین زمینه آقای هنری سندرز، معاون ارشد و مدیر بخش فناوری پلتفرم‌ها و بخش Azure Edge در شرکت مایکروسافت می‌گوید:

بر پیچیدگی فزاینده دستگاه‌های هوشمند در آینده که از بسترهای ابری گرفته تا دستگاه‌هایی که روزانه با آنها سر و کار داریم را باید با یک راهکار مناسب فائق آمد. در سیستم‌های امروز و آینده دستگاه‌هایی با توان محاسبات ناهمگون بیش از پیش مورد نیاز است و هماهنگی بیشتر بین توسعه‌دهندگان سخت‌افزار و نرم‌افزار موردی است که باید به صورت ویژه به آن اندیشیده شود.

یکی از ویژگی‌های کلیدی ARMv9 قابلیت معماری محاسبه محرمانه یا CCA است که بستری مناسب از کدها و داده‌ها برای انجام محاسبات فراهم کرده و شرایط را برای محافظت هر چه بیشتر از روند انجام یک عملیات امنیتی و محافظت شده ایجاد می‌کند.

در واقع قابلیت CCA به توسعه‌دهنده اجازه می‌دهد بخش دنیای عمومی و خصوص پردازش را به صورت خاص از یکدیگر ایزوله نموده و درجه امنیت محاسبات خود را افزایش دهد.

این ویژگی که از آن با عنوان روش Realms یاد می‌شود نه تنها برای کاربران PC و گوشی‌های هوشمند، بلکه برای کلیه دستگاه‌های پردازشی فعال در سرورها و سایر سیستم‌های گسترده نیز بسیار مفید خواهد بود و کمک می‌کند که به معنای واقعی، بحث ایزولاسیون عملیات پردازشی مدیریت گردد. این ویژگی با همکاری نزدیکی با شرکت مایکروسافت توسعه داده شده و در آن توجه ویژه‌ای بر کاربردهای عملی صورت گرفته است.

علاوه بر این برای پاسخگویی به نیاز فزاینده بار پردازشی سیستم‌هایی مانند AI/ML و DSP همکاری با شرکت ژاپنی Fujitsu برای افزودن فناوری جذاب افزونه برداری با مقیاس متغیر یا SVE2 صورت گرفته که پیش از این در ابررایانه Fugaku و در دستورالعمل اختصاصی SVE این شرکت به کار رفته و اثرات مثبت خود را به وضوح اثبات نموده بود.

همچنین با الهام‌گیری از پیشرفت‌های اساسلی افزودن ضرب ماتریسی در پردازنده‌ها که پیش از این در پردازنده‌های بسیار سریع Sapphire Rapids CPU به کار رفته بود تلاش شده تا فناوری AMX نیز به ARM آورده شده و از مواهب بی‌شمار آن استفاده شود.

نکته جذاب دیگری که ARM در مورد افزایش قابلیت‌های پردازشی سیستم‌های موبایل به لطف ARMv9 اعلام کرده امکان افزودن قابلیت‌هایی گرافیکی پیشرفته‌ای مانند Ray Tracing و سایه‌زنی با نرخ متغیر (Variable Rate Shading) است که می‌تواند انقلابی در حوزه پردازش گرافیکی موبایل ایجاد کند. با این قابلیت‌ها انحصار دنیای PC و کنسول از فناوری‌های مذکور شکسته شده و می‌توان گیمینگ موبایل را برای اولین بار در سطح دستگاه‌های غیر قابل حمل، گسترش داد.

سال آینده نیز اولین هسته‌های پردازشی ARM به نام Makalu با پشتیبانی از ARMv9 معرفی خواهند شد که جایگزین Cortex-X1 شده و اصل ارتقای 30 درصدی کارایی کمترین بهبود آن نسبت به نسل قبل خواهد بود.

در این زمینه آقای سیمون سیگارز، مدیر اجرایی ARM می‌گوید:

با استفاده از ARMv9، افقی جدید پیش روی شرکت ما قرار خواهد گرفت؛ بستر جهانی فراگیری که انجام محاسبات هوش مصنوعی امن را برای بیش از 1000 شریک تجاری ما تا دهه 2030 به خوبی تضمین می‌کند.

نقشه راه ARMv9 مملو از المان‌ها و قابلیت‌های جدید است که به روند پردازش ویژه برای نیازهای مختلف از پشتیبانی از کوچکترین حسگرها گرفته تا بزرگترین ابررایانه‌ها جانی تازه خواهد بخشید و شرایط حفاظت از داده‌ها را در کلاس جدیدی تعریف و تبیین می‌کند.

تا به امروز شرکت‌های بسیاری مانند گوگل، فاکسکان، مایکروسافت، انویدیا، NXP، مارول، رنساس، سونیتی، سامسونگ، زیمنس، فولکس‌واگن، زوم و ... پشتیبانی خود از ARMv9 را اعلام کرده‌اند و با این اوصاف باید این معماری مجموعه دستورالعمل را پرچمدار دنیای طراحی پردازنده برای دهه آینده بدانیم.