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公開：2024-05-19

ARM64とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

ARM64とは

ARM64はARMアーキテクチャの64ビット版であり、モバイルデバイスやエッジコンピューティングで広く使用されているプロセッサアーキテクチャです。ARM64は従来の32ビット版ARMと比較して、アドレス空間の拡大、性能の向上、省電力性の向上などの利点を提供します。

ARM64アーキテクチャはARMv8アーキテクチャとも呼ばれ、2011年に初めて発表されました。ARMv8は64ビットの命令セットを導入し、より大きなアドレス空間とより多くのレジスタを提供することで、パフォーマンスと効率性を向上させています。

ARM64プロセッサはスマートフォン、タブレット、スマートウォッチなどのモバイルデバイスで広く採用されています。これらのデバイスではバッテリー寿命が重要であり、ARM64の低消費電力性が大きなメリットとなります。

また、ARM64はサーバー市場でも注目を集めています。クラウドコンピューティングの拡大に伴い、データセンターでの電力効率の向上が求められており、ARM64ベースのサーバーは低消費電力と高い性能を提供する選択肢の一つとなっています。

ARM64アーキテクチャはオープンソースのソフトウェアエコシステムとの親和性が高く、Linux、Android、iOS など、多くのオペレーティングシステムがARM64をサポートしています。これにより、開発者はARM64プラットフォーム向けのアプリケーションを容易に作成することができます。

ARM64の命令セットアーキテクチャ

ARM64の命令セットアーキテクチャに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• ARM64の64ビット命令セット
• ARM64の新しいレジスタ
• ARM64のSIMD命令セット

ARM64の64ビット命令セット

ARM64の命令セットは64ビットのアドレッシングと64ビットのデータ処理をサポートしています。これにより、より大きなメモリ空間にアクセスすることができ、大規模なデータセットを効率的に処理することができます。

ARM64の命令セットは従来の32ビットARMアーキテクチャとの互換性を維持しつつ、新しい命令を追加しています。これにより、既存のARMアプリケーションを簡単に移植することができ、開発者はARM64の利点を活用しながら、既存のコードを活用することができます。

また、ARM64の命令セットはより効率的なコード生成を可能にするように設計されています。コンパイラはARM64の命令セットを活用して、より最適化されたコードを生成することができ、アプリケーションのパフォーマンスを向上させることができます。

ARM64の新しいレジスタ

ARM64アーキテクチャではより多くのレジスタが導入されています。具体的には31個の64ビット汎用レジスタと、32個の128ビットのSIMDレジスタが追加されました。

これらの追加レジスタにより、レジスタ間のデータ移動が減り、メモリアクセスの回数が減少します。その結果、コードのパフォーマンスが向上し、メモリ帯域幅の消費が抑えられます。

また、より多くのレジスタを使用することで、関数呼び出しのオーバーヘッドを削減することができます。パラメータやローカル変数をレジスタに保持することができるため、スタックメモリへのアクセスが減り、関数の呼び出しと返りが高速化されます。

ARM64のSIMD命令セット

ARM64アーキテクチャには強化されたSIMD(Single Instruction Multiple Data)命令セットが含まれています。SIMDは複数のデータ要素に対して同じ操作を並列に実行することができ、マルチメディア処理や科学計算などの分野で大きな役割を果たしています。

ARM64のSIMD命令セットは従来のNEONから拡張され、より幅広いデータタイプとより多くの演算をサポートしています。これにより、開発者はSIMDの利点を最大限に活用し、アプリケーションのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

また、ARM64のSIMD命令セットは自動ベクトル化コンパイラとの親和性が高いです。コンパイラはSIMDの利点を自動的に活用し、最適化されたコードを生成することができ、開発者はSIMDの知識がなくてもアプリケーションのパフォーマンスを向上させることができます。

ARM64のセキュリティ機能

ARM64のセキュリティ機能に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• ARM64のTrustZoneテクノロジー
• ARM64のPointerAuthentication
• ARM64のMemoryTagging

ARM64のTrustZoneテクノロジー

ARM64アーキテクチャにはTrustZoneテクノロジーが組み込まれています。TrustZoneはセキュアな実行環境を提供し、機密データや重要な処理を保護することができます。

TrustZoneはプロセッサを「Secure World」と「Normal World」の2つの環境に分割します。Secure Worldは機密性の高いタスクや重要なセキュリティ機能の実行に使用され、Normal Worldは通常のアプリケーションの実行に使用されます。

TrustZoneを使用することで、セキュリティ関連のコードをSecure World内に隔離することができ、悪意のあるアプリケーションやマルウェアからの攻撃を防ぐことができます。また、TrustZoneはセキュアなブート処理やセキュアなファームウェアの更新にも使用されます。

ARM64のPointerAuthentication

ARM64アーキテクチャにはPointerAuthentication(ポインタ認証)機能が導入されています。ポインタ認証はポインタの改ざんを検出し、バッファオーバーフローやROP(Return-Oriented Programming)攻撃などの脆弱性を緩和することができます。

ポインタ認証はポインタに認証コードを付加し、ポインタが改ざんされていないことを確認します。認証コードはポインタの値とシークレットキーに基づいて計算され、ポインタが使用される前に検証されます。

ポインタ認証を使用することで、攻撃者がポインタを改ざんしてコードの実行フローを変更することを防ぐことができます。これにより、バッファオーバーフローやROPなどの攻撃手法が効果的に防止され、システムのセキュリティが強化されます。

ARM64のMemoryTagging

ARM64アーキテクチャにはMemoryTagging(メモリタギング)機能が導入されています。メモリタギングはメモリ関連のバグやメモリ破壊を検出し、アプリケーションの信頼性とセキュリティを向上させることができます。

メモリタギングはメモリのアロケーション時にタグ情報を付加し、メモリの解放時にタグ情報を検証します。タグ情報はメモリの有効性や用途を示すもので、メモリの誤使用や解放後の使用を検出することができます。

メモリタギングを使用することで、メモリ関連のバグやメモリ破壊をリアルタイムで検出することができ、アプリケーションのクラッシュやセキュリティ脆弱性を防ぐことができます。また、メモリタギングはデバッグやプロファイリングにも役立ち、開発者はメモリの使用状況を詳細に分析することができます。

ARM64の低消費電力性

ARM64の低消費電力性に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• ARM64のBig.LITTLEアーキテクチャ
• ARM64の電力管理技術
• ARM64のDynamicVoltageandFrequencyScaling

ARM64のBig.LITTLEアーキテクチャ

ARM64プロセッサの多くはBig.LITTLEアーキテクチャを採用しています。Big.LITTLEアーキテクチャは高性能な「Big」コアと低消費電力な「LITTLE」コアを組み合わせることで、性能と電力効率のバランスを最適化します。

Bigコアは高い性能を必要とするタスクの実行に使用され、LITTLEコアはバックグラウンドタスクや低負荷のタスクの実行に使用されます。ワークロードに応じてBigコアとLITTLEコアを動的に切り替えることで、消費電力を抑えながら、必要な性能を維持することができます。

Big.LITTLEアーキテクチャを使用することで、バッテリー寿命を延ばしつつ、ユーザーの要求に応じた性能を提供することができます。特に、モバイルデバイスではBig.LITTLEアーキテクチャが大きな役割を果たしており、ユーザーエクスペリエンスの向上に貢献しています。

ARM64の電力管理技術

ARM64プロセッサには高度な電力管理技術が実装されています。これらの技術はプロセッサの各部分の電力消費を最適化し、全体的な消費電力を抑えることができます。

例えば、アイドル状態の検出とパワーゲーティングがあります。プロセッサがアイドル状態になると、使用されていない回路ブロックの電源を切ることで、消費電力を大幅に削減することができます。

また、クロックゲーティングも重要な技術です。クロックゲーティングは使用されていない回路ブロックへのクロック信号を停止することで、動的電力消費を削減します。これらの技術により、ARM64プロセッサは高い性能を維持しながら、低消費電力を実現しています。

ARM64のDynamicVoltageandFrequencyScaling

ARM64プロセッサはDynamicVoltageandFrequencyScaling(DVFS)をサポートしています。DVFSはプロセッサの電圧と周波数を動的に調整することで、消費電力を最適化する技術です。

ワークロードが軽い場合、プロセッサの電圧と周波数を下げることで、消費電力を削減することができます。一方、高い性能が必要な場合は電圧と周波数を上げることで、要求される性能を満たすことができます。

DVFSはオペレーティングシステムやファームウェアと連携して動作します。システムはワークロードの特性やユーザーの設定に基づいて、適切な電圧と周波数を選択し、消費電力と性能のバランスを最適化します。DVFSにより、ARM64プロセッサは幅広いワークロードに対して優れた電力効率を達成しています。

※上記コンテンツはAIで確認しておりますが、間違い等ある場合はコメントよりご連絡いただけますと幸いです。

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