ARM trình làng kiến trúc ARMv9: cải thiện hiệu năng, bảo mật, AI và xử lý vector – VnReview

Tất cả các bộ xử lý đều chứa một “kiến trúc” cơ bản, đại diện cho những đặc điểm chuyên sâu của thiết kế vật lý. Kiến trúc này xác định cách thức hoạt động của một bộ xử lý, những gì nó có thể làm và cách bộ nhớ được truy cập như thế nào. Một sự thay đổi trong kiến trúc của bộ xử lý có thể đánh dấu một cột mốc quan trọng, đi cùng với các thiết kế phần cứng vật lý, tập lệnh cũng như khả năng hoàn toàn mới.

Hầu hết những bộ xử lý trên smartphone ngày nay đều được xây dựng dựa trên kiến trúc ARMv8 cùng những biến thể tùy biến khác. Giờ đây, sự xuất hiện của ARMv9 sẽ sớm mang đến nhiều nhân CPU hoàn toàn mới dành cho thế hệ SoC tiếp theo được trang bị những chiếc smartphone tương lai. Vậy kiến trúc ARMv9 có gì mới?

ARMv9 là kiến trúc ARM mới đầu tiên trong một thập kỉ qua và sẽ định nghĩa thế hệ những bộ xử lý di động, máy chủ tiếp theo trong 10 năm tới. Cụ thể, ARM hiện có hai thế hệ thiết kế CPU tiếp theo, cải thiện 30% so với nhân CPU Cortex-X1 hiệu năng cao nhất ở hiện tại. Ngoài ra, tốc độ xung nhịp cùng những lợi ích sản xuất khác cũng có thể nâng cao hiệu năng hơn nữa. Điểm mấu chốt khác là ARMv9 sẽ nhanh hơn nhiều so với ARMv8 đối với khả năng xử lý học máy và cũng sẽ bảo mật hơn nhiều nhằm bảo vệ dữ liệu nhạy cảm nhất của chúng ta.

Học máy nhanh hơn

ARM không tiết lộ chính xác cách hoạt động bên trong của ARMv9. Chúng ta sẽ cần phải chờ những bộ xử lý đầu tiên sử dụng kiến trúc này để tìm hiểu thêm. Những bộ xử lý này có thể sẽ xuất hiện vào cuối năm 2021. Dẫu vậy, các tính năng bảo mật cũng như học máy tiên tiến tạo nên phần lớn những cải thiện có trong ARMv9.

Đầu tiên là những cải tiến về toán học nhờ vào những khả năng toán học ma trận tiên tiến cùng thế hệ Scalable Vector Extension thứ 2 (SVE2) của ARM. Thế hệ SVE đầu tiên được thiết kế cho siêu máy tính Fugaku, nhưng SVE2 hiện tại đã được tinh chỉnh cho các máy tính đa chức năng. SVE2 được xây dựng dựa trên các nguyên tắc của thư viện toán học ARM NEON, nhưng được thiết kế lại hoàn toàn để cải thiện tính song song của dữ liệu. Quạn trọng hơn, SVE2 cũng hỗ trợ NEON, thế nên, nó sẽ được sử dụng cho những chức năng xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processing).

Tương tự SVE1, SVE2 cho phép triển khai độ dài vector linh hoạt, thay vì cố định, từ 128 bit đến 2048 bit. Điều này cho phép các nhà thiết kế CPU kiểm soát khả năng xử lý số lượng của các nhân CPU tốt hơn. Nó cũng hỗ trợ các kiểu dữ liệu và tập lệnh mới. SVE2 cũng được thiết kế hướng đến mục đích tăng tốc các thuật toán phổ biến sử dụng cho thị giác máy tính, đa phương tiện, xử lý baseband LTE, dịch vụ web,…

SVE2 sẽ cải thiện đáng kể hiệu năng học máy cũng như những workload DSP khác trực tiếp trên CPU, giảm sự cần thiết của những phần cứng xử lý AI và DSP bên ngoài. Thời đại của tính toán không đồng nhất vẫn chưa kết thúc. Tuy nhiên, ARM coi những chức năng này là rất cần thiết cho tương lai của điện toán mà mọi CPU phải có khả năng thực hiện chúng một cách hiệu quả.

Cải thiện bảo mật dựa trên phần cứng

Không thể đánh giá thấp tầm quan trọng của bảo mật trong các bộ xử lý hiện đại. Nhiều lỗ hổng trên các con chip trước đây đã từng được công khai khai thác, chẳng hạn như Heartbleed, Spectre. Việc ngăn chặn những vấn đề rò rỉ và tràn bộ nhớ như vậy cũng như tránh các vấn đề khác xuất hiện trong tương lai cần đến nhiều phương pháp bảo mật mới dựa trên phần cứng. Dĩ nhiên, ARMv9 được bổ sung một vài giải pháp bảo mật quan trọng, bao gồm Memory Tagging Extension (MTE) và Realm Management Extension, như một phần trong Confidential Compute Architecture (CCA) của ARM.

Thực tế, tính năng tagged memory đã được hỗ trợ trên Android 11 cũng như OpenSUSE. ARM đã trình làng tính năng này trong ARMv8.5, nhưng chưa có bất kỳ nhân CPU di động nào được xây dựng dựa trên biến thể này. MTE được thiết kế nhằm ngăn chặn các lỗ hống bộ nhớ với cách tiếp cận “khóa và chìa khóa” truy cập. Con trỏ bộ nhớ sẽ được gắn thẻ khi tạo và được kiểm tra trong quá trình tải/lưu trữ tập lệnh nhằm đảm bảo bộ nhớ được truy cập từ đúng nơi. Nếu không khớp, các trường hợp ngoại lệ đó sẽ được mô tả rõ ra, cho phép nhà phát triển theo dõi kĩ càng những vấn đề bảo mật tiềm ẩn.

Thực hiện memory tagging trong phần cứng trên CPU sẽ giảm các đánh đổi hiệu năng từ quá trình kiểm tra này. Tương tự, việc kiểm tra dựa trên phần cứng mang đến khả năng chống giả mạo tốt hơn nhiều, khiến các tác nhân xấu khó có thể khai thác hơn.

Trong khi đó, nhiệm vụ của Realm Management Extension và CCA thậm chí còn bao quát hơn. Tính năng này được xây dựng dựa trên ý tưởng ARM TrustZone, cho phép các ứng dụng chạy trong môi trường an toàn riêng biệt, cách ly khỏi hệ điều hành chính và những ứng dụng khác. Không giống như Hypervisor và máy ảo, vốn chạy các hệ điều hành riêng biệt cạnh nhau, Realms cũng hỗ trợ phân tách an toàn các ứng dụng và dịch vụ riêng lẻ sử dụng chung một hệ điều hành. Nó giống như các vùng chứa của Linux, chỉ là nó an toàn hơn và được tích hợp sẵn trong phần cứng.

Ý tưởng này không quá phức tạp. Các Realm sẽ không thể thấy được Realm khác đang làm gì, giúp giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ dữ liệu nhạy cảm sang một ứng dụng khác, hoặc thậm chí là hệ điều hành. Thế nên, phần mềm và tài nguyên xử lý trong các ứng dụng ngân hàng của bạn sẽ được tách biệt hoàn toàn với game mà bạn đang chơi một cách an toàn, và game đó cũng được cách ly với Facebook. Những tính năng bảo mật dựa trên phần cứng ngày càng trở nên quan trọng hơn trong việc bảo vệ các dữ liệu nhạy cảm, chẳng hạn như thông tin sinh trắc học, được lưu trữ trên thiết bị.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn cần phải chờ đợi thêm một khoảng thời gian nữa để có thể hiểu hơn về cách mà ARM thực hiện điều này, những gì tiếp xúc giữa các dịch vụ, hay cách hệ điều hành chia sẻ tài nguyên. Chắc chắn, Realm sẽ yêu cầu những thay đổi lớn trong toàn bộ hệ điều hành, chẳng hạn như Android của Google. Vậy nên, nhiều khả năng, Realm sẽ không hỗ trợ trong những bộ xử lý ARMv9 thế hệ đầu tiên. Tính năng này dự kiến sẽ xuất hiện vào giai đoạn gần cuối vòng đời của kiến trúc.

Những bộ xử lý ARMv9 đầu tiên

Kiếm trúc ARMv9 mới sẽ xuất hiện trong các bộ vi điều khiển, thời gian thực và bộ xử lý ứng dụng ARM trong những năm tới. Đầu tiên sẽ là dòng CPU Cortex-A cho những SoC smartphone, tiếp theo là những con chip máy chủ. ARM kỳ vọng, những chipset ARMv9 đầu tiên cho điện thoại di động sẽ được ra mắt trong năm nay, và các thiết bị đầu tiên sẽ chính thức xuất hiện trong năm 2022.

Ngoài ra, trong cuộc họp báo, ARM còn bổ sung thêm một trang trình bày về những tính năng cho GPU Mali sắp tới. Chúng bao gồm Variable rate shading và ray tracing, hai tính năng hiện đang xuất hiện ngày càng nhiều trên thị trường console chơi game và card đồ họa cao cấp.

Minh Hùng (theo Android Authority)