掌握未來3000億顆晶片商機 Armv9 加速特定運算世代的推展
- 李佳玲／台北
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在5G、AI、IoT和超大規模(hyperscale)運算需求的匯聚推動下，未來十年的運算需求將會是甚麼樣貌？做為運算及連網革命的核心，以及被廣泛運用的處理器架構開發者，Arm透過日前發布的新一代Armv9架構，勾勒出對未來十年運算的願景。
隨著AI驅動的運算無所不在，Arm台灣總裁曾志光表示，預期未來十年基於Arm架構的晶片出貨量將達3,000億顆，而這些晶片可能被廣泛地應用於終端裝置、數據網路、邊緣運算或雲端上。在全盤考量通用性與特定性之間的平衡，以及安全、效能、易於開發、能耗效率等各種因素後，Armv9正是為了因應此前所未有的創新機會所開發的解決方案。
對台灣科技產業來說，如何以Arm的長遠思維，並進而利用Arm所建構的強大生態系統支援，在晶片與系統設計面臨轉折的關鍵時刻，掌握未來十年的發展契機，是值得深思的議題。
未來十年的運算需求與挑戰
Armv9的發布，距前一代Armv8已有十年之久。曾志光表示，過去30年來，已累積了超過1,800億個基於Arm架構的晶片出貨量。現在，從感測器、邊緣、網路、到雲端，我們看到絕大部分的共享數據在它們生命週期的某個階段都會藉由Arm的技術來進行處理，因此我們在數年前投入Armv9開發時，便一直在思考，什麼是未來十年最重要的課題？我們要如何協助開發人員為未來預做準備？
首先，資訊安全性是最大的挑戰，「數據已成為個人很重要的資產，無論在消費、工業及商業應用中，確保隱私與安全性是亟待解決的問題。」此外，隨著多元創新的應用，軟體上架成本低，會有越來越多人從事軟體開發，未來軟體數量將大幅增加，如何讓重要資訊不被竊取，並使應用程式的開發更簡易順暢，是需要考量的問題。
於此同時，AI和超大型運算應用的普及，將持續推動邊緣AI發展，市場對於更低功耗、更強效能具有無盡的需求。對Armv9來說，如何在推出新指令集的同時，藉由更先進的系統設計，改善效率、頻寬、快取大小並降低記憶體延遲以提升效能，也是一項挑戰。
AI在運算上無所不在帶來的另一項挑戰是，對於特定處理解決方案的要求，將越來越高。不同的市場區隔、效能，以及使用情境，都將帶來不同的運算要求，如何靈活運用CPU、GPU與NPU處理器的硬體與軟體能力，以最適方案實現AI工作負載的最佳化，亦是必須克服的。
特定運算的未來 兼顧安全性、AI與系統效能
因此，除了強化安全性、核心效能之外，Arm更試圖在通用且具彈性的硬體架構下，打造滿足特定運算需求的解決方案，以實現「系統級」效能的最佳化。
曾志光表示，預見此一發展趨勢，Arm也從過去以產品線區分，改為以應用市場劃分，以因應不同應用對於運算技術的專用需求。
Arm應用工程總監徐達勇補充說，「針對未來晶片的多樣化需求，勢必要採取特定運算來因應。因此，我們整合Arm CPU、GPU與NPU平台以提供更高的效率、擴充性與彈性。而除了硬體之外，Arm對於建置軟體生態系統，亦投入了大量心力。未來是一個強調使用情境最佳化，而非僅僅著眼IP規格本身的時代，軟體將扮演更重要的角色。」
對此，Arm正推動SystemReady計畫，只要硬體和底層軟體符合定義好的系統標準，所有的作業系統都能於其上運行，希望從感測器、邊緣到雲端，作業系統都能相容於基於Arm架構的硬體。
曾志光表示，「基於軟體定義裝置的概念，採用業界廣泛運用的Arm架構將能確保開發者的軟體投資效益極大化。由於我們無法預期終端裝置的效能，為了取得最佳執行效能，未來將會是自行開發軟體與雲端軟體並存，會有越來越多原生於雲端的軟體運行在邊緣裝置上，我們希望能廣邀合作夥伴共同參與。」
徐達勇強調，對Arm來說，這些努力都是試圖在標準化與靈活性之間取得平衡，透過底層軟體的標準化，例如在底層系統架構(Base System Architecture；BSA)與底層啟動要求(Base Boot Requirement；BBR)定義標準，降低業者移植軟體的難度，讓業者能聚焦於真正的應用創新，實現差異化設計。
在安全方面，Armv9推出了機密運算架構(CCA)，首度導入動態設置機密領域(Realm)的概念，保護使用中的數據。曾志光表示，機密領域與既有TrustZone技術的主要差異在於，後者相信底層作業系統是安全的，並把安全和非安全區域相互隔離。而機密領域是透過多一個位址轉譯，將數據轉移至自有機密領域，讓作業系統無法探查在機密領域中執行的代碼與數據。因此，即使作業系統遭入侵，仍能確保機密領域中兩者的安全。
機密領域是TrustZone的進化，藉由與作業系統隔離，為軟體提供多一層的保護，即使是手機上動態下載的App，也能因導入機密領域機制，而取得更高的機密性。此外，Armv9架構還強化對記憶體標籤擴充(Memory Tagging Extension)功能的支援，透過在記憶體中建置標籤的方式，保護從CPU傳到記憶體的資料，以對抗針對記憶體安全漏洞的攻擊。藉由軟硬體的各種保護機制，全面強化安全性。
在數位訊號處理(DSP)和AI運算方面，Arm與富士通合作並研發了可擴展的向量延伸指令集(SVE)技術，而此技術已成為超級電腦富岳的核心。以此為基礎，Armv9導入了SVE的進階版SVE2，把支援的向量長度從原來的128位元增加到可變的2048位元。
徐達勇表示，如此大量的平行運算能力，使Armv9能為5G、虛擬實境、擴增實境，以及機器學習等工作負載提供更大效能。未來幾年，Arm也將透過在CPU內執行矩陣架構的運算來進一步強化此能力。除了擴展AI能力之外，並將持續進行Mali GPU和Ethos NPU中的AI創新。
善用Arm生態系統 加速實現創新與差異化設計
Armv9架構的發布只是一個開端，業界將持續看到Arm推出新的產品與技術，以實現Arm的願景：基於通用運算的經濟效益、設計自由度與容易存取等優勢，提供特定處理能力，協助夥伴在各個市場提供最優異的解決方案，而首款基於Armv9架構的產品，將於2021年問世。
Armv9的先進架構，帶來了更多的創新可能性，也為台灣科技業者帶來新的機會。曾志光表示，「2020年台灣科技業獲利表現佳，但因應新世代運算需求，如何走出既有的營運模式，進而提高企業價值的挑戰仍然待解。台灣企業已累積了強大的技術底蘊，面對5G、IoT、雲端、汽車等各種商機，需要思考長期的獲利模式，提高用於創新的投資，才能為未來的成長奠定基礎。」
「以Arm為例，我們數年前便開始投入Armv9研發，以因應趨勢發展與夥伴需求與時俱進，Armv9帶給台灣的契機，我認為主要在於提供更多的價值與差異化的可能性，而這正是業者致勝的關鍵。」
徐達勇解釋說，「以智慧攝影機為例，從晶片、軟體到整機，台灣業者已建構了堅強實力。若能利用Armv9強化的安全性與AI效能，率先開發出更強大、更安全的產品，例如能達成更高的AI辨識率，符合特殊的使用場景，或更佳的產品安全性，以搶佔先機，便能進一步提高競爭優勢。」
曾志光強調，Arm在台灣已深耕20多年，我們一直致力於協助客戶開拓市場，顯現價值，台灣擁有很強的設計能力與供應鏈，期望Armv9架構推出後，能透過強化生態系統連結，協助業者發揮Armv9的優異特性，快速推出產品。
「包括智能攝影機、智慧監控、個人電腦/筆電、邊緣運算、資料中心、汽車、以及工業電腦等各領域，我們認為台灣業者都有絕佳的機會。」曾志光說明。
聯發科技率先採用 新產品年底推出
對Arm來說，近來在5G手機通訊技術有成的聯發科技是其指標性的合作夥伴之一。對於與聯發科技在Armv9新架構的合作，除了智慧手機之外，曾志光表示，「Arm Neoverse解決方案在恆定的熱功耗(TDP)下能支援更多核心數，改善電源效率並提升效能表現，為高效能運算與機器學習等工作負載提供更大的應用潛力，我們與聯發科技在消費電子和通信等領域，例如5G無線通訊基地台、企業專網、邊緣運算、核心網路、資料中心等，也持續有許多討論，期望能有更多的合作機會。」
在Armv9全球發佈會上，聯發科技公開表示，2021年底將推出採用Armv9架構的智慧手機產品。聯發科技副總經理暨無線通訊事業部總經理徐敬全博士表示，「聯發科技多年來建構了涵蓋行動裝置、家庭娛樂應用、無線連結技術以及物聯網市場的豐富產品線。Arm架構的可擴展性、優異效能和設計創新是聯發科技擴大投資組合的關鍵。」
徐敬全認為，一直以來Arm團隊提供的支援與建議，確實對聯發科技的持續創新與增強產品，發揮了關鍵作用。他看好Armv9架構在提升安全性、運算效能及能效方面的表現，透過Arm多元的解決方案，包含高效能、低功耗設計及系統平台的擴增性，未來將持續與Arm在各個領域展開密切結合，以為不同應用場景推出更為完整的技術解決方案。
此點正呼應了曾志光所強調的 ─ 希望能協助夥伴利用Arm所打造的核心架構、強大的生態系統以及軟體支援，擴大市場並帶來商機。期許Armv9能成為次世代晶片設計的基礎，並成為提升企業競爭力與技術創新的契機。
延伸閱讀：了解Armv9架構、觀看影片及下載機密運算調查報告。
