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汹涌而至的数字化大潮中，核心底座无疑是芯片。以我们触手可及的智能手机为例，性能、智能化水平、视觉体验等，近些年都有了突飞猛进的发展。细想一下，这些其实都离不开手机芯片计算能力的不断提升。
Arm架构凭借高性能、高能效等优势已在手机生态取得全面成功，不过，放眼未来计算的复杂需求，Arm一直在不断突破计算平台的能力极限。5月底，Arm 2023全面计算解决方案（TCS23）正式推出，可以说，这是Arm迄今为止针对智能手机推出的性能最优异的移动计算平台。包括了全新旗舰级Arm Immortalis GPU，可带来绝佳视觉体验；全新的Armv9 CPU集群，延续了在AI方面的领先性能；以及可为数百万Arm开发者提供的更易访问软件的全新增强技术。
在日前举办的Arm技术媒体分享日上，Arm内部多位技术专家，对TCS23进行了深度解读，包括在CPU、GPU、安全及软件方面的最新技术动态，以及Arm在终端设备领域的应用创新和市场洞见。
Arm全面计算战略最新进展？
纵观整个生态系统，能够提供全面解决方案的IP供应商并不多见，本身难度也较高。Arm的全面计算战略究竟是什么？为什么推崇全面计算解决方案的开发方式？简单理解，它是将一整套针对特定工作负载设计和优化的IP作为一个完整系统，使得这些关键IP能够无缝地协同工作，从而大幅降低了SoC设计的复杂性，减少了工程成本和资源消耗，缩短了产品上市时间。
2021年，Arm 全面计算解决方案首次发布。借助该平台解决方案，SoC设计能够更轻松应对计算子系统构建和配置过程中的诸多挑战，包括开发用于总线互联、系统级缓存 (SLC) 和内存管理单元 (MMU) 的第三方系统 IP，以及将所有组件集成到CPU和GPU集群等各个环节中遇到的问题。
去年推出的Arm 2022全面计算解决方案（TCS22），就为一系列工作负载提供了更高的计算性能和能效，并在多个设备中实现了全面计算战略的所有要素，例如高通第二代骁龙8移动平台、MediaTek天玑9200移动芯片组。
全新发布的TCS23，可以说是针对移动计算的优选计算平台，提供64位计算性能支持，包括了尖端CPU和GPU技术，能够让游戏开发者以及人工智能应用开发者实现沉浸式体验的打造，此外，还有在软件、内存安全等方面的优化。
Arm 产品营销副总裁Ian Smythe强调，“我们所关注的不止在下一代设备，还着眼于未来。我们对CPU、GPU产品路线图的承诺更胜以往，在接下来的几年里，我们将在包括 Krake GPU 和 Blackhawk CPU 等关键IP上加大投入，以满足合作伙伴对于计算和图形性能的要求。”
Arm终端事业部产品管理高级总监Kinjal Dave指出，移动SoC设计变得越来越复杂，主要表现在以下四个方面：第一是IP本身越来越复杂；第二是IP可能需要跨领域、跨系统，比如MTE技术；第三是越来越多样的终端使用场景在出现；第四是芯片设计工作本身，在设计选择以及平衡方面的取舍难度在提高。
提供系统的参考设计，可以帮助合作伙伴更好地应对这些挑战。TCS23集成了一系列新推出的Arm IP产品，包括CPU、GPU和其他系统IP，主要有：基于全新第五代 GPU 架构而构建的Immortalis-G720、Mali-G720 和 Mali-G620；Armv9.2计算集群，包含Cortex-X4、Cortex-A720和Cortex-A520 CPU，以及DSU-120。通过这些IP组件的协同，TCS23实现了两位数的性能、效率和功耗提升。
除了新的IP之外，TCS23 还提供了一系列专为全新一代安卓操作系统量身定制的设计、开发、优化工具，同时也提供了用于加速SoC设计的物理实现支持。此外还有Arm NN 和 Arm Compute Library等软件库的持续优化，助力开发者在 Armv9 架构上优化其机器学习 (ML) 工作负载的执行效率。
Cortex CPU集群性能再创新高
过去几年，业界都看到了Arm对CPU性能和效率的不懈追求。比如首款高性能 Cortex-X CPU、高能效Cortex-A700系列、高效率Cortex-A500系列，不同CPU集群也不断丰富了 Arm生态系统。
TCS23中，Arm推出了最新的Arm Cortex-X4，以及集合了Cortex-X4与全新Cortex-A720、Cortex-A520的新一代CPU集群，堪称Arm史上最强大的Cortex CPU计算集群阵容。
其中，Cortex-X4 专注于实现优异性能，并再次带来了两位数的IPC 增长。相较于去年的安卓旗舰设备，其性能提升了15%。两位数的IPC增长也为单线程“爆发式”工作负载提供了峰值性能，例如在智能手机上启动应用、浏览网页、页面的加载和渲染，以及相机功能。除性能外，Cortex-X4能效比提高了40%。在保持性能和效率优势的基础上，还兼具支持更高的可扩展性，每个内核的 L2 缓存可多达 2MB，可广泛适用于各类消费电子设备。
大小核产品方面，Cortex-A520 实现了更好的电源效率，与Cortex-A510相比，在能效方面有22%的提升。尤其针对低密度背景任务，能延迟电池续航时间。它也是封装最小的一款Cortex 产品，非常适用于入门级和手机终端设备。
Cortex-A720则是CPU集群产品中的主力产品，与Cortex-A715相比，它在高效方面实现了20%的提升，可以让设备在更长时间内支持多线程的应用处理。除了针对高端机型的待机时长，Cortex-A720在面积配置方面还做了扩展，从而满足其他档次的手机产品。
Arm 终端事业部产品管理总监 Saurabh Pradhan指出，以上三款IP都基于全新的Armv9.2 的架构，都是纯64位IP产品，这也意味着Arm完成了向64位的迁移。
“一个全面解决方案要有DSU才完整，此次我们发布了DSU-120，它不光可以把所有IP很好地结合在一起，同时也是催化剂，能够实现CPU集群最好的性能和效率。”Saurabh Pradhan表示。
全新DynamIQ Shared Unit——DSU-120是TCS23 CPU集群的核心要素，它基于两年前推出的DSU-110开发，针对DSU的各方面进行了优化提升。扩展性方面，它支持单核到14 核，适用于消费电子设备的各类CPU集群，涵盖入门级智能手机、可穿戴设备到旗舰智能手机和高端笔记本电脑的各个领域。
此外，DSU-120还提供智能节能模式，新增24MB和32MB的L3缓存配置选项，进而使对应集群拥有更高的性能和更低的系统功耗。
在现实的使用场景中，这意味着什么呢？比如高性能笔记本电脑中，可由10核Cortex-X4和4核Cortex-A720集群组成;旗舰智能手机方面，可由单核Cortex-X4、4核Cortex-A720和4核Cortex-A520组成。可以看到各类方案中，高度可扩展的DSU都为TCS23奠定了根基。同时，Arm还提供一款8核CPU集群，包括单核Cortex-X4、5核 Cortex-A720 和双核 Cortex-A520。除了这些CPU集群，合作伙伴也可自由定制独有集群，根据各式应用场景以及自身计算要求来开发和运用。
要强调的是，Arm基于全新的Armv9.2架构构建了所有的CPU新品。除了内存标记扩展（MTE）和 可伸缩矢量扩展 SVE2，Armv9.2 架构还为指针验证（PAC）全新添加了 QARMA3 算法，以提高在 Armv9 CPU 上激活安全功能时的性能表现。
Arm首席 CPU 架构师兼研究员Ian Caulfield补充，“TCS23的CPU集群相当于有三个不同的微架构，针对不同的应用场景可以灵活配置，同时，Arm还提供各种各样的频率以及功耗的执行点，这是TCS最关键的一点。最高效能的Cortex-X4支撑着最高性能的应用；最低功耗的Cortex-A520，主要支持背景低密度的任务，从而实现最低可控的功效；中间的是 Cortex-A720，能够实现最具有持续性的性能。”
至于Arm为何坚持超大核、大核、小核的独特设计哲学？Saurabh Pradhan解释，“Arm 是目前唯一一家能够同时提供三种不同微架构的厂商，这是一大优势。我们坚持超大核、大核和小核的设计，从而给予合作伙伴最优的选择组合。”
基于第五代 GPU 架构，重新定义视觉计算
TCS23的GPU方面，采用了新的第五代 GPU 架构，提高了所有GPU的系统级图形性能，这意味着除了大幅提高GPU性能，还优化了TCS2的外部内存、CPU集群和系统级缓存 (SLC) 之间的交互过程，从而提升了整体的性能表现。
Arm 终端事业部产品管理高级总监 Anand Patel表示，基于Arm GPU的芯片出货量已经超过90亿，今年是第五代架构的第一年，Arm会非常专注于处理效率，关注关键的技术趋势，例如：场景复杂性、更出色的图形性能和内存系统能耗功率。
首先，移动设备上的场景复杂性在呈爆炸式增长，更高的场景复杂性会让几何相关的内存访问占据过多的可用带宽，并最终影响性能。第五代架构致力于提升图形管道，让用户能够以更高的每秒帧数 (FPS) 畅玩游戏。与此同时，在移动设备上实现下一代高级别几何学渲染游戏和实时 3D 应用也成为了可能。
为了处理更复杂的场景，图形管道首先引入了延迟顶点着色 (DVS)， 以重新定义GPU 中的图形数据流。DVS 利于性能随内核数增加而提升，使合作伙伴能够在未来达到更高的性能水平，此外，它还有助于在高度复杂的游戏场景中保持稳定帧率，同时为未来下一代的几何内容提供支持。
其次，在更出色的图形性能方面，推动高动态范围 (HDR) 渲染的使用需求持续增加。Arm 也积极支持开发者拥抱这一趋势，最新的Immortalis-G720 有助于控制 HDR 渲染中使用的高深度纹理的性能影响。通过引入DVS，超复杂几何形状的场景可被渲染，并可节省处理能力。与基于Valhall架构的Immortalis-G715相比，基于第五代架构的Immortalis-G720的写入带宽提高31%，FPS提高20%。借此释放了图形管道的空间，用以增加媲美电脑端的质量效果，例如实时动态光照、高光溢出效果和景深。
第三，Arm在TCS22的基础之上进行回顾总结，发现DRAM、互连和内存均大量导致了内存系统能耗功率，也就是说内存系统能耗功率是导致处理器散热达到极限的主要因素。因此在第五代GPU架构中，希望为GPU分配更多的内存系统效能以达到更好的视觉效果，同时也希望可以进一步节约能耗功率，以延长电池续航时间。
除了引入第五代架构外，Immortalis 和 Mali GPU的整体设计在性能和效率方面也实现了大幅提升。Immortalis-G720 支持10核或更多核心，并可选用优化的物理IP来加速 SoC 设计。Mali-G720可支持6到9核，而Mali-G620可支持最多5个核，可助力快速复用。
此外，在广受欢迎的光线追踪功能方面，Arm正在与腾讯游戏和MediaTek 合作，通过 SmartGI技术以进一步提高行业采用率，并开发最佳实践文档，为游戏开发者提供支持。
内存标记扩展（MTE）应对内存安全挑战
Arm 终端事业部软件战略总监卢旻盛指出，内存标记扩展（MTE）是未来数字化和更加好的智能化体验的基础。由于数字化、智能化建立在更好的计算能力基础之上，这样才能让更多的软件实现更好的功能。但其中涉及一个问题，软件越复杂，漏洞也会随之增长，如果不从根本上改变这个现状的话，就很难实现智能化所带来的真正好处。
利用MTE，开发者可以快速找到内存相关漏洞，加快应用调试和开发流程。此外，该功能支持动态更改配置，这意味着在现场可通过漏洞报告和遥测系统，向开发者回传有关访问故障位置的准确信息。构建于最新 Armv9 架构的 Arm CPU，Arm提供MTE等安全功能，能够为软件开发者、芯片供应商和设备制造商提供影响深远的信息安全、功能安全、成本和上市时间优势。
事实上，内存安全是一个很老的问题，很多软件平台操作系统很早就开始提出这一问题。据操作系统供应商 (OSV) 报告，其产品中的大多数安全问题都源于内存安全违规导致的漏洞。谷歌的Chromium项目团队表示，内存安全问题在所有严重安全漏洞中占到70%。
内存安全违规有两种主要类型：空间安全违规和时间安全违规。MTE 可提供在生产代码中检测这两种违规的机制，且无需使用任何仪器。
卢旻盛介绍，Arm 实现的MTE为两阶段系统，即“锁”和“密钥”。如果密钥匹配，则允许访问锁内存；否则，访问可能会被记录下来或出错。这样就可以更轻松地检测到难以捕获的内存安全错误，也有助于进行常规调试。
在锁和密钥两阶段系统中，存在两种类型的标记：地址标记，用作密钥。这将在进程中每个指针的最高位增加四位。地址标记仅适用于 64 位应用，因为它使用了“高字节忽略”功能，这是Arm 64位的一个功能。内存标记，用作锁。内存标记也由四位组成，与应用内存空间中每个对齐的 16 字节区域相连接。Arm 将这些 16 字节区域称为标记颗粒。这四位并不用于应用数据，而且是分开存储。
MediaTek在天玑旗舰9200中就已经支持了MTE，MediaTek 无线通信事业部资深总监章立认为，芯片级的安全是整个移动生态的基础设施，没有芯片级的安全就没有今天移动生态的繁荣。
在 MTE 技术之前，很多应用开发者都会有这类困惑，比如：指针的控制、错误的使用造成内存的泄露。有了MTE之后，可以动态捕捉指针的错误，从而大大提升移动IT的安全性。其次，MTE对用户体验的提升也非常关键的，它提供了一个工具或方法，能够让开发者把移动性能做得更健壮、更稳定、用户体验更好。
vivo芯片规划和架构高级总监夏晓菲表示，vivo作为整机厂商，通过与Arm、MediaTek 的合作，可以让软件开发者有效把MTE用起来。从目前收到的反馈来看，很多开发者表示越来越离不开这个特性，因为这极大加速了他们软件开发的效率，最终也能给消费者带来很好的体验，达到端侧性能的平衡。
荣耀公司MagicOS DFS架构师余亮分享了为什么要使用 MTE、以及荣耀天网如何使用 MTE。他认为，首先踩内存的问题影响非常大，会导致用户功能不可用和应用闪退，甚至整机重启。其次，MTE 能在踩内存时，捕获故障现场的日志，提供更准确的定位信息，最后能以更低的内存开销和更好的指令性能，相比ASan、HWASan 更接近用户真实的性能环境。
荣耀天网提供两种接入方式，第一是购买支持 MTE 的设备，通过HOTA升级到天网版本。第二是云服务，企业开发者用户登录荣耀相关应用网站，进入远程真机调试环境。通过这些方式，打造更稳定、更安全的生态环境。
例如快手的海外产品 (Kwai和SnackVideo) ，目前正和荣耀天网合作，在大型项目中使用 Arm MTE提高内存安全。据了解，90%的内存安全问题可以在App正式发布之前就在线下被检测出来。
卢旻盛表示，Armv9 架构是全球数十亿移动设备的计算基础，MTE现已广泛普及，Arm架构正在成为全球数字化安全的基石。
自下而上的安全加固
除了IP方面的升级更新，在软件和生态系统合作方面Arm做了很多工作。据了解，Arm内部有45%的工程师属于软件开发人员，一些工程师从事底层开发，更多的工程师则从事高层开发，比如软件框架、性能分析工具、实践应用等。
首先在安卓移动生态系统向64位的迁移过程中，需要产业链不同角色之间非常细致的协调。此外，并不是从生态系统中就完全消除 32 位，市场上还有很多32位的设备需要支持。
Arm 终端事业部生态系统及工程高级总监Geraint North表示，这既需要解决32位的历史遗留问题，向应用开发者证明64位的过渡是在真实发生的，并且也需要为他们64位的平台提供一些额外的助力。在过去的五年中，Arm积极与生态系统合作，为仅支持64位的硬件做好了相应的软件准备。
其次在安全技术部署方面的，现在业界的软件数量是有史以来最多的，而且越来越多的数据会在它生命周期的某一个点推动 Arm IP，这也更为考验Arm软件的安全性和稳定性支持，也正是如此，Armv9架构越来越注重安全技术的引入。
Geraint North谈到，Armv9 CPU中，除了MTE外，还首次推出了PAC和BTI安全功能，BTI可以保护程序不跳转到内存中未经授权的地址，PAC和BTI联合使用，攻击者就很难将现有的代码的片断用于不法手段，能提供最大限度的保护。
Armv9是未来，行业加速向64位迁移
过去的一年多，全球几乎所有的移动应用商店都全面对64位系统提供支持，应用生态系统也已做好迎接纯64位设备的准备。那么，Arm后续是否会将重心全部投入Armv9架构，并逐渐停止Armv8的更新？
Saurabh Pradhan表示，整个Armv9就是Armv8的升级换代，在终端应用领域，基于Armv8架构将不会推出新品。
Ian Smythe补充，核的性能提升表示处理的指令数量要提高，Arm在Armv9架构上做了巨大的投资，Armv8和Armv9的性能差非常巨大的，Armv9就是未来。此外，Cortex-A520 也是真正意义上的首个纯64位Arm小核CPU，随着纯 64 位的移动设备进入市场，预计很快将会涌现更多此类设备。
Arm终端事业部高级产品经理Manish Pandey表示，纯64位系统可以为合作伙伴提供更高的计算能力、更高的安全和机器学习功能，同时有助于提升应用开发流程。在算力表现方面，64 位指令集性能提升可达20%，可缩短应用加载时间，并实现更出色、更敏捷的用户体验。这有助于满足多种工作负载（特别是 AI 和 AAA 级游戏）对算力的无尽需求。
目前，绝大多数安卓移动设备上部署的操作系统 (5.0 及更高版本) 可同时支持 64 位和 32 位安卓运行。Manish Pandey认为，这额外增加了内存、开发和测试方面的负担，在向纯 64 位移动设备过渡的过程中，优先开发64位应用可以降低复杂性、开发成本和测试成本，并缩短上市时间。这一举措也能推动安卓生态系统专注于支持新兴功能和技术，并实现 32 位架构无法达到的出色性能和稳健性。
写在最后
全球移动数据使用量仍在持续攀升，柔性显示屏、AR光学等新形式、新元素正在以不同方式进入大众视野，生成式AI及移动端大型语言模型的出现，将带来新的功能和需求，移动设备的创新有望持续提升。
针对移动计算应用场景，Arm希望通过TCS23实现整体SoC性能和效率的更优表现。正如Arm方面所说，无论合作伙伴选择哪一种TCS23配置，都希望能助力他们在SoC 开发过程中缩短上市时间、并降低成本。
