AArch64

AArch64
Armv8-Cortex-A57/A53 MPCore big가 장착된 플랫폼입니다.작은 CPU 칩

AArch64 또는 ARM64는 ARM 아키텍처 제품군의 64비트 확장입니다. Armv8-A 아키텍처와 함께 처음 소개되었으며 많은 확장 업데이트가 있었습니다.[1]

ARM-A(응용프로그램 아키텍처)

참고 항목: ARMv8-A 프로세서 비교

2011년 10월에 발표된 [2]ARMv8-A는 ARM 아키텍처의 근본적인 변화를 나타냅니다. 옵션인 64비트 아키텍처를 추가하여 "AArch64" 및 관련된 새로운 "A64" 명령 세트. AArch64는 기존 32비트 아키텍처("AArch32" / ARMv7-A) 및 명령어 세트("A32")와 사용자 공간 호환성을 제공합니다. 16-32비트 Thumb 명령어 세트는 "T32"라고 불리며 64비트 대응물이 없습니다. ARMv8-A를 사용하면 32비트 애플리케이션을 64비트 OS에서 실행할 수 있고, 32비트 OS는 64비트 하이퍼바이저의 제어 하에 있을 수 있습니다.[3] ARM은 2012년 10월 30일 코텍스-A53 및 코텍스-A57 코어를 발표했습니다.[4] 애플은 소비자용 제품(iPhone 5S)에 ARMv8-A 호환 코어(Cyclone)를 최초로 출시했습니다. Applied Micro는 FPGA를 사용하여 ARMv8-A를 최초로 시연했습니다.[5] 삼성의 첫 번째 ARMv8-A SoC는 갤럭시 노트 4에 사용된 엑시노스 5433으로, 크게 4개의 Cortex-A57 및 Cortex-A53 코어로 구성된 두 개의 클러스터가 특징입니다.구성이 거의 없습니다. 그러나 AArch32 모드에서만 실행됩니다.[6]

ARMv8-A는 AArch32 및 AArch64 모두에 VFPv3/v4 및 고급 SIMD(Neon)를 표준으로 합니다. 또한 AES, SHA-1/SHA-256 및 유한장 산술을 지원하는 암호화 지침을 추가합니다.[7]

명명 규칙

  • 64 + 32비트:
    • 건축: AArch64.
    • 규격 : ARMv8-A.
    • 명령어 세트: A64 + A32.
    • Suffixes: v8-A
  • 32 + 16(썸) 비트:
    • 아키텍처: AArch32.
    • 사양 : ARMv8-R / ARMv7-A
    • 지침 세트: A32 + T32.
    • 접미사: -A32 / -R / v7-A.
    • 예: ARMv8-R, Cortex-A32.[8]

AArch64 기능

  • 새 명령 집합, A64:
    • 31개의 범용 64비트 레지스터가 있습니다.
    • (명령에 따라) 전용 0 또는 SP(Stack Pointer) 레지스터가 있습니다.
    • 프로그램 카운터(PC)는 더 이상 레지스터로 직접 액세스할 수 없습니다.
    • 명령어는 여전히 32비트 길이이며 대부분 A32와 동일합니다(LDM/STM 명령어 및 대부분의 조건부 실행 중단).
      • (LDM/STM 대신) 쌍으로 구성된 로드/스토어가 있습니다.
      • 대부분의 명령어(가지 제외)에 대한 예측이 없습니다.
    • 대부분의 명령어는 32비트 또는 64비트 인수를 사용할 수 있습니다.
    • 주소는 64비트로 가정합니다.
  • 향상된 고급 SIMD(네온):
    • 32 × 128비트 레지스터(16개부터)가 있으며 VFPv4를 통해서도 액세스할 수 있습니다.
    • 이중 정밀 부동 소수점 포맷을 지원합니다.
    • 완전한 IEEE 754 준수.
    • AES 암호화/복호화 및 SHA-1/SHA-2 해싱 명령에서도 이러한 레지스터를 사용합니다.
  • 새로운 예외 시스템:
    • 뱅크 처리된 레지스터와 모드가 적습니다.
  • 기존 LPAE(Large Physical Address Extension)를 기반으로 48비트 가상 주소의 메모리 변환으로, 64비트까지 쉽게 확장할 수 있도록 설계되었습니다.

확장: 데이터 수집 힌트(ARMv8.0-DGH).

AArch64는 ARMv8-A에 도입되었으며 후속 버전인 ARMv8-A에 포함되어 있습니다. 또한 ARMv8-A에 도입된 후 옵션으로 ARMv8-R에 도입되었으며, ARMv8-M에는 포함되지 않습니다.

명령어 형식

A64 명령어가 속한 그룹을 선택하는 주요 오피코드는 비트 25-28입니다.

A64 명령 형식
유형 조금
31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
예약한 0 op0 0 0 0 0 op1
SME 1 op0 0 0 0 0 다르다
무배정 0 0 0 1
SVE 0 0 1 0 다르다
무배정 0 0 1 1
데이터 처리—즉시 PC-rel. op 임마lo 1 0 0 0 0 임마hi Rd
데이터 처리 - 즉시 기타 sf 1 0 0 01-11 Rd
지점 + 시스템 지침 op0 1 0 1 op1 op2
지침 로드 및 저장 op0 1 op1 0 op2 op3 op4
Data Processing — Register sf op0 op1 1 0 1 op2 op3
Data Processing — 부동 소수점 및 SIMD op0 1 1 1 op1 op2 op3

ARMv8.1-A

2014년 12월에 "v8.0보다 증분 이점"이 있는 업데이트인 [9]ARMv8.1-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 명령어 세트의 변경, 예외 모델 및 메모리 변환의 변경 등 두 가지 범주로 나뉩니다.

명령어 세트의 향상된 기능은 다음과 같습니다.

  • AArch64 원자 읽기-쓰기 지침 세트입니다.
  • AArch32 및 AArch64에 대한 고급 SIMD 명령 세트에 일부 라이브러리 최적화를 위한 기회를 제공합니다.
    • 서명된 포화 라운딩 배가 곱셈 누적, 높은 반을 반환합니다.
    • 서명된 포화 반올림 두 배 곱하기 뺄셈, 높은 반을 반환합니다.
    • 명령어는 벡터 및 스칼라 형태로 추가됩니다.
  • 구성 가능한 주소 영역으로 제한된 메모리 액세스 순서를 제공할 수 있는 일련의 AArch64 명령어를 로드하고 저장합니다.
  • v8.0의 옵션 CRC 지침은 ARMv8.1의 요구 사항이 됩니다.

예외 모델 및 메모리 번역 시스템의 향상된 기능은 다음과 같습니다.

  • 새로운 PAN(Privileged Access Never) 상태 비트는 명시적으로 활성화하지 않는 한 사용자 데이터에 대한 특권 액세스를 방지하는 제어 기능을 제공합니다.
  • 가상화를 위한 VMID 범위 증가, 더 많은 수의 가상 시스템을 지원합니다.
  • 페이지 테이블 액세스 플래그의 하드웨어 업데이트 및 하드웨어 업데이트, 더티 비트 메커니즘의 표준화(옵션)를 지원합니다.
  • 가상화 호스트 확장(VHE). 이러한 향상된 기능은 호스트 운영 체제와 게스트 운영 체제 간에 전환할 때 관련된 소프트웨어 오버헤드를 줄여 Type 2 하이퍼바이저의 성능을 향상시킵니다. 확장 기능을 통해 호스트 OS는 EL1과는 달리 EL2에서 실질적인 수정 없이 실행할 수 있습니다.
  • OS에서 하드웨어 지원이 필요하지 않은 운영 체제 사용을 위해 일부 번역 테이블 비트를 확보하는 메커니즘입니다.
  • 메모리 태깅에 대한 최상위 바이트 무시.[10]

ARMv8.2-A

2016년 1월, ARMv8.2-A가 발표되었습니다.[11] 향상된 기능은 다음과 같은 네 가지 범주로 나뉩니다.

  • 옵션인 반정밀 부동 소수점 데이터 처리(반정밀은 이미 지원되었지만, 스토리지 형식과 마찬가지로 처리용은 지원되지 않았습니다.)
  • 메모리 모델 향상.
  • 신뢰성, 가용성 및 서비스성 확장(RAS Extension) 소개.
  • 통계 프로파일링의 도입.

확장 가능한 벡터 확장(SVE)

SVE(Scalable Vector Extension)는 고성능 컴퓨팅 과학 워크로드의 벡터화를 위해 특별히 개발된 "ARMv8.2-A 아키텍처 이상의 옵션 확장"입니다.[12][13] 이 사양을 사용하면 가변 벡터 길이를 128비트에서 2048비트까지 구현할 수 있습니다. 확장은 NEON 확장과 보완적이며 대체되지 않습니다.

후지쯔 A64FX ARM 프로세서를 사용하여 512비트 SVE 변형이 이미 후가쿠 슈퍼컴퓨터에 구현되었습니다. 이 컴퓨터는[14] 2020년[15] 6월부터 2022년 5월까지 2년 동안 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터였습니다.[16] AWS Graviton3 ARM 프로세서는 보다 유연한 버전인 2x256 SVE를 구현했습니다.

SVE는 GCC 컴파일러에 의해 지원되며, GCC 8은 자동 벡터화를[13] 지원하고 GCC 10은 C 고유성을 지원합니다. 2020년 7월 기준, LLVM과 clang은 C와 IR 고유성을 지원합니다. ARM만의 포크인 LLVM은 자동 벡터화를 지원합니다.[17]

ARMv8.3-A

2016년 10월, ARMv8.3-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음과 같은 6가지 범주로 분류되었습니다.[18]

  • 포인터 인증[19](AArch64만 해당), 아키텍처에 대한 필수 확장(새로운 블록 암호, QARMA[20] 기반)(컴파일러는 보안 기능을 활용해야 하지만 NOP 공간에 있기 때문에 오래된 칩에 추가 보안을 제공하지는 않지만 하위 호환성이 있습니다.
  • 중첩된 가상화(AArch64만 해당).
  • 고급 SIMD 복소수 지원(AArch64 및 AArch32); 예를 들어 90도의 배수에 의한 회전.
  • 새로운 FJCVTZS(Floating-point JavaScript를 서명된 고정점으로 변환, 0을 향한 반올림) 명령어.[21]
  • 메모리 일관성 모델 변경(AArch64만 해당); C++11/C11의 (기본값이 아닌) 약한 RCpc(Release Constant 프로세서 일관성) 모델을 지원하기 위한 것(기본값 C++11/C11 일관성 모델은 이전 ARMv8에서 이미 지원됨).
  • 더 큰 시스템 가시 캐시(AArch64 및 AArch32)에 대한 ID 메커니즘 지원.

ARMv8.3-A 아키텍처는 이제 (적어도) GCC 7 컴파일러에 의해 지원됩니다.[22]

ARMv8.4-A

2017년 11월, ARMv8.4-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음 범주에 속했습니다.[23][24][25]

  • "SHA3 / SHA512 / SM3 / SM4 암호화 확장"
  • 향상된 가상화 지원.
  • MPAM(Memory Partitioning and Monitoring) 기능.
  • 새로운 Secure EL2 상태 및 활동 모니터.
  • 서명 및 서명되지 않은 정수 도트 제품(SDOT 및 UDOT) 지침입니다.

ARMv8.5-A and ARMv9.0-A

2018년 9월, ARMv8.5-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음 범주에 속했습니다.[26][27][28]

  • MTE(Memory Tagging Extension)(AArch64).[29]
  • BTI(Branch Target Indicators)(AArch64)를 사용하여 "공격자의 임의 코드 실행 능력"을 줄입니다. 포인터 인증과 마찬가지로 이전 버전의 ARMv8-A에서는 관련 지침이 작동하지 않습니다.
  • 난수 생성기 지침 – "다양한 국가 및 국제 표준을 준수하는 결정론적이고 진정한 난수 제공"

2019년 8월 2일, 구글은 안드로이드가 메모리 태깅 확장(MTE)을 채택할 것이라고 발표했습니다.[30]

2021년 3월, ARMv9-A가 발표되었습니다. ARMv9-A의 기준선은 ARMv8.5의 모든 기능입니다.[31][32][33] 또한 ARMv9-A는 다음을 추가합니다.

  • 스케일러블 벡터 확장 2(SVE2). SVE2는 SVE의 확장 가능한 벡터화를 기반으로 세분화된 DLP(Data Level Parallelism)를 향상시켜 명령에 따라 더 많은 작업을 수행할 수 있도록 지원합니다. SVE2는 현재 Neon을 사용하는 DSP 및 멀티미디어 SIMD 코드를 포함한 더 넓은 범위의 소프트웨어에 이러한 이점을 제공하는 것을 목표로 합니다.[34] LLVM/Clang 9.0 및 GCC 10.0 개발 코드는 SVE2를 지원하도록 업데이트되었습니다.[34][35]
  • 트랜잭션 메모리 확장(TME). x86 확장에 이어 TME는 하드웨어 트랜잭션 메모리(HTM)와 트랜잭션 잠금(TLE)을 지원합니다. TME는 확장 가능한 동시성을 가져와 거친 스레드 수준 병렬(TLP)을 증가시켜 스레드당 더 많은 작업을 수행할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.[34] LLVM/Clang 9.0 및 GCC 10.0 개발 코드는 TME를 지원하도록 업데이트되었습니다.[35]
  • 기밀 컴퓨팅 아키텍처(CCA).[36][37]

ARMv8.6-A and ARMv9.1-A

2019년 9월, ARMv8.6-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음 범주에 속했습니다.[26][38]

  • GEMM(General Matrix Multiple).
  • Bfloat16 형식을 지원합니다.
  • SIMD 매트릭스 조작 지시, BFDOT, BFMMLA, BFMLA 및 BFCVT.
  • 가상화, 시스템 관리 및 보안 향상
  • 그리고 다음 확장 기능(LLVM 11이 이미[39] 지원을 추가함):
    • 향상된 카운터 가상화(ARMv8.6-ECV).
    • 미립자 트랩(ARMv8.6-FGT).
    • 활동 모니터링 가상화(ARMv8.6-AMU).

예를 들어 세분화된 트랩, WFE(Wait-for-Event) 지침, EnhancedPAC2와 FPAC. SVE 및 Neon용 bfloat16 확장은 주로 딥러닝용입니다.[40]

ARMv8.7-A and ARMv9.2-A

2020년 9월, ARMv8.7-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음 범주에 속했습니다.[26][41]

  • SME(Scalable Matrix Extension)(ARMv9.2만 해당).[42] SME는 행렬을 효율적으로 처리하기 위해 다음과 같은 새로운 기능을 추가합니다.
    • 매트릭스 타일 저장소.
    • 즉석 매트릭스 전치.
    • 타일 벡터 로드/저장/삽입/추출
    • SVE 벡터의 매트릭스 외부 생성물.
    • "스트리밍 모드" SVE.
  • PCIe 핫 플러그(AArch64)에 대한 지원이 강화되었습니다.
  • 원자 64바이트 로드 및 가속기(AArch64)에 저장됩니다.
  • WFI(Wait For Instruction) 및 WFE(Wait For Event) 시간 초과(AArch64).
  • Branch-Record Recording(ARMv9.2만 해당).

ARMv8.8-A and ARMv9.3-A

2021년 9월, ARMv8.8-A 및 ARMv9.3-A가 발표되었습니다. 향상된 기능은 다음과 같습니다.[26][43]

  • 마스크 불가능 인터럽트(AArch64).
  • memcpy() 및 memset() 스타일 작업을 최적화하는 지침(AArch64).
  • PAC(AArch64)에 대한 향상된 기능.
  • 암시된 조건부 분기(AArch64).

LLVM 15 supports ARMv8.8-A and ARMv9.3-A.[44]

ARMv8.9-A and ARMv9.4-A

2022년 9월 ARMv8.9-A 및 ARMv9.4-A가 발표되었습니다.[45]

  • VMSA(Virtual Memory System Architecture) 기능이 향상되었습니다.
    • 방향 및 오버레이에 대한 권한입니다.
    • 번역 경화.
    • 128비트 변환 테이블(ARMv9만 해당).
  • 확장 가능한 Matrix Extension 2(SME2)(ARMv9만 해당).
    • 다중 벡터 지침입니다.
    • 다중 벡터 술어.
    • 2b/4b 무게 압축.
    • 1b 바이너리 네트워크.
    • 범위 프리페치.
  • 보안 제어 스택(GCS)(ARMv9만 해당).
  • 기밀 컴퓨팅.
    • 메모리 암호화 컨텍스트.
    • 장치 할당.

ARM-R(실시간 아키텍처)

옵션인 AArch64 지원은 Armv8-R 프로파일에 추가되었으며, 첫 번째 Arm 코어는 Cortex-R82입니다.[46] A64 명령어 세트를 추가하고 메모리 장벽 명령어를 일부 변경합니다.[47]

참고문헌

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  2. ^ "ARM Discloses Technical Details Of The Next Version Of The ARM Architecture" (Press release). Arm Holdings. 27 October 2011. Archived from the original on 1 January 2019. Retrieved 20 September 2013.
  3. ^ Grisenthwaite, Richard (2011). "ARMv8-A Technology Preview" (PDF). Archived from the original (PDF) on 11 November 2011. Retrieved 31 October 2011.
  4. ^ "ARM Launches Cortex-A50 Series, the World's Most Energy-Efficient 64-bit Processors" (Press release). Arm Holdings. Retrieved 31 October 2012.
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