ARM v9指令集来嘎啦，但在手机上可能并没那么神奇

转载：本文来自微信公众号“三易生活”（ID:IT-3eLife），作者：三易菌，转载经授权发布。

类似“10年来最重要嘅创新”同“未来3000亿粒芯片嘅基础”咁样嘅话语，喺2021年3月31日凌晨ARM方面正式发布佢们嘅ARM v9指令集时，无疑显得佢们是相当得意嘅。 

毕竟ARM已经有长达十年时间没有对旗下处理器嘅指令集进行大幅修改嘎啦，现行嘅ARM v8指令集更是移动处理器啱啱进入64位时诞生嘅，虽然一直在小修小补，但底子上可以说已经是个“老古董”嘎啦。因此就算再点样进行安全性修补同性能增强，嗰啲十年前就定下来嘅技术规格，而家当然可能已经成为新时代ARM处理器继续提升性能嘅制约。 

不仅咁，回溯历史不难发现，近几代嘅ARM指令集进化，几乎每次都引领‌移动设备体验嘅革命。例如从ARM v5进化到ARM v6时，让最早嘅“多媒体手机”得以实现，都成就‌诺基亚、摩托罗拉最辉煌嘅时光；ARM v6被ARM v7所取代后，则带来‌经典嘅Cortex-A8架构，真正开辟‌iPhone同Android嘅触屏智能手机时代；而ARM v7到ARM v8嘅转变，则首次将“64位计算”带到‌手机上，为而家5G、手游、手机拍照嘅兴盛铺平‌道路。 

那么问题就来嘎啦，新嘅ARM v9指令集呢次都可以带来智能手机性能体验嘅革命吗？但至少从目前嘅行业现状，以及ARM方面透露嘅新品信息来睇，我哋觉得可能有那么一点悬。 

首先，而家嘅手机行业在程序适配上有啲“懒”

在解释ARM v9指令集对于手机行业可能造成嘅影响前，我哋觉得首先需要先解释一下乜嘢是“指令集”，以及“指令集”、“架构”和“CPU”之间嘅关系。 

简单打个比方，如果说设计一款CPU是“写作文”嘅话，噉么架构设计就好比范文，你（厂商）可以选择直接照抄，都可以够小修小改一下来用。同样哋，“指令集”则如同语法书或者字典，其所规定嘅是最基础嘅算法、功能，但至于硬件上点样去设计、去实现，指令集是唔会畀出答案嘅，噉就需要厂商自己去搭建和设计嘎啦。 

但问题就在于，无论是“公版”架构嘅CPU还是厂商自行设计架构嘅CPU，要想真正发挥出理论上嘅最大性能，首先都有个大前提。那就是所运行嘅软件必须是专为新嘅指令集而设计，咁样佢才能充分发挥同新指令集相搭配新架构嘅优势，甚至有时候才能启用CPU内部嘅一啲特定运算单元，获得完整嘅算力。 

仔细睇应用图标左下角嘅标识，绿色是64位，褐色是32位 

但係纵观而家嘅智能手机生态不难发现，虽然厂商都喺度追求住硬件上嘅不断换代，但是好多知名软件嘅底层技术却长期呈现出不思进取嘅状态。比如说大家熟悉嘅手机QQ，直到而家都还是32位，噉就意味住佢甚至连ARM 2011年就发布嘅ARM v8指令集，以及所有基于ARM v8嘅CPU性能都唔可以好好地发挥出来。并且因为佢兼容嘅还是古老嘅ARM v7 32位指令集，喺现代处理器上实际上相当于是以一种“兼容模式”来运行嘅。 

更为糟糕嘅是，从呢次ARM v9指令集嘅细节来睇，佢其实并非严格意义上“脱胎换骨”嘅全新设计。因为ARM v9里还保留‌好大一块，用于对ARM v8指令集嘅兼容。 

苹果iOS对底层不更新嘅应用态度相当坚决，但Android这边却好放任 

这意味住乜嘢呢？首先佢确实会逼迫部分应用更换底层代码，因为目前ARM v9嘅信息并没有提到佢系咪会兼容32位嘅ARM v7指令集，所以佢可能会带来纯64位嘅CPU普及，并淘汰一批32位嘅老移动应用。 

但从另外一个角度上嚟讲，由于ARM v9指令集嘅CPU和对应嘅手机面世时，市面上必然还存在大量嘅老设备，因此开发者大概率会将程序修改为针对ARM v8指令集进行支持嘅版本。咁样一来，佢既能在未来嘅新机型上运行，都可以兼容当时嘅各种老手机们，当然这都就意味住，佢将唔可以充分发挥ARM v9指令集嘅性能优势。 

其次，ARM v9嘅大部分改进针对嘅是超算领域

当然，我哋可以说智能手机上嘅第三方应用技术更新缓慢，难以第一时间针对最新嘅处理器指令集和架构进行优化，这是目前手机硬件换代仲未够快、每代之间嘅性能差距仲未够巨大所带来嘅必然结果。试谂一下，如果智能手机嘅芯片每代好似PC显卡那样性能直接翻倍还多，新款处理器一出来老平台直接成为“战五渣”，噉可能软件行业想必就会勤快多‌啦。 

但问题就在于，喺呢次嘅ARM v9指令集度，我哋都睇不到太多明显针对手机性能设计嘅元素。或者不如说，这套全新嘅指令集里嘅嗰啲个“新玩意”，甚至大部分都同手机没有乜嘢关系。 

ARM v9呢次新增‌边啲特性？在官放公布嘅示意图中可以睇到，其主要包含四个方面嘅新增内容，即强化嘅安全性、增强嘅向量处理能力、机器学习性能嘅增长，以及针对数字信号处理功能嘅特化设计。 

其度，ARM v9指令集嘅安全新特性嘅确会对未来嘅手机造成一啲影像。比如佢支持为关键应用创建独立嘅虚拟机环境，呢啲可能会让未来手机上嘅隐私保护功能更强、都可以更好嘅阻止一啲APP窃取用户隐私。但除此之外，剩下嘅部分就基本同手机无关嘎啦。 

比如说，ARM高调地宣传‌ARM v9指令集在机器学习性能，以及向量计算能力上嘅大幅进步，这主要是得益于佢采用‌新嘅SVE2浮点扩展指令。而这则源自ARM同日本富士通联合研发，用在超级计算机“富岳”上嘅SVE指令。据悉，这是一种浮点运算加速指令，但系以让未来嘅处理器处理从256位到2048位嘅超宽字长运算 

但係ARM v9本身还是为64位处理器准备嘅，噉么在64位处理器上运行256位、512位，甚至2048位运算嘅解决方案，大家想到乜嘢‌吗？没错，其实在我哋熟悉嘅消费级PC处理器中都有类似嘅设计。比如普通嘅英特尔酷睿同AMD锐龙CPU就具备执行256位代码嘅AVX2指令，而喺工作站以及服务器级别嘅至强等处理器上，就具备能执行512位代码嘅AVX512指令。 

和256位嘅AVX2指令相比，AVX512指令都只在超重负载嘅4K视频编码里才快一点点 

简单嚟讲，呢啲指令嘅确可以加速大型多媒体程序嘅运行速度，都可以够提高CPU在大型AI计算项目中嘅性能，但是佢嘅代价却是非常明显嘅。首先要使用佢，CPU内部就必须具备专门嘅256位或者512位计算单元，并且呢个计算单元会非常费电，甚至开启后还会直接影响到CPU嘅频率稳定性；其次对于目前嘅绝大多数PC程序嚟讲，就算要使用到浮点加速指令，多半都剩系要128位或256位嘅运算能力，只有嗰啲极其专业嘅应用（比如电影渲染、游戏制作、大型科学模拟），先会用到512位甚至以上级别嘅计算能力。 

那么大家觉得，我哋嘅手机未来会有咁大型嘅专业生产力应用吗？好显然暂时并唔会。甚至将来基于ARM v9指令集嘅手机CPU，都好可能唔会具备完整嘅2048位浮点加速单元，佢好可能会被“阉割”掉，好似ARM v7指令集里嘅NEON浮点加速单元，曾经都被一啲早期芯片舍弃一样，原因就是支持嘅软件没几个，而且还特别耗电。 

此外，ARM v9仲有一啲新内容是为微控制器而生

可能有嘅朋友要说，虽然手机上唔会有超大型嘅多媒体渲染程序，新嘅浮点加速设计在手机上好可能唔会完整出现，但ARM v9指令集唔系还加强‌数字信号处理能力吗，手机上好多功能都要用到数字信号处理技术，这难道唔会带来明显嘅性能增长吗？ 

其实都唔会。这是因为虽然我哋嘅手机在拍照、听歌，甚至通话时，都需要对相应嘅数字信号进行各种处理，但呢啲处理任务好早就被从CPU中分‌出去，被交畀‌各种各样嘅独立芯片。比如说拍照有专门嘅ISP单元，听歌有专门嘅DAC、ADC和DSP单元，通话有成熟嘅基带硬件。呢啲专用数字处理芯片嘅好处不只是性能高、功耗低，同时呢种分布式嘅处理架构仲有一个好处，就是能大大提升手机整体嘅稳定性，例如唔会因为CPU负载太大而造成打电话嘅时候掉线。 

这意味住乜嘢？这当然代表住ARM v9指令集里提升数字信号处理能力嘅部分，喺手机上其实都起不到乜嘢作用嘎啦。 

三星自研嘅SSD主控，基于ARM指令集和CPU架构 

既然起不到乜嘢作用，ARM又点解要设计佢呢？这是因为除咗手机芯片外，仲有好多低功耗嘅小型ARM处理确实是用来进行数字信号处理嘅。比如说音频播放器里嘅功放芯片，比如说SSD、机械硬盘嘅主控芯片，佢们则会受益于ARM v9指令集带来嘅性能增强。 

而且大家要知道，喺呢啲领域，以RISC-V为代表嘅第啲低功耗处理器方案而家都发展极为迅猛，所以ARM自然会有咁样嘅需求，喺新一代指令集中专门针对呢啲“小芯片”加入新嘅功能。 

ARM v9好强大，但佢在手机上却未必好神奇

是嘅，我哋要承认，ARM v9本质上是一个好有意义嘅设计，佢会帮助更多厂商用ARM架构嘅处理器去实现更好嘅服务器、云计算性能，都可以帮助ARM在超低功耗嘅小型微控制芯片领域增强竞争力，应对来自RISC-V嘅冲击。 

但是从另一方面嚟讲，至少在目前ARM方面公开嘅技术数据来睇，新指令集里嘅大部分“新玩意”对于智能手机嘅应用场景，确实并没有太大嘅意义。不仅咁，ARM v9指令集完全兼容ARM v8指令集嘅设计，都有极大嘅可能造成开发者为咗保留对老机型嘅兼容，而故意不适配新嘅指令集和新嘅加速代码，这则将会进一步使得未来新处理器嘅性能在实际应用中得不到充分发挥。 

当然，对于手机行业来讲呢虽然唔系一件好事，但无论是手机厂商、开发者，仲要是上游嘅芯片供应商，似乎都仲未有太好嘅办法来解决呢个问题。 

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