RISC-VSoC設計のカスタム拡張機能から謎を取り除く

システムオンチップ（SoC）でのハードウェアとソフトウェアの設計のトレードオフを解決するために、ベースプロセッサを構成したり、カスタム拡張機能を追加したりすることは新しいことではありません。これは、RISC-Vコミュニティによって支持されている価値提案の重要な部分であり、公開されている多くの情報がその利点をもたらしています。たとえば、「ガイド 適切なRISC-Vカスタム命令でアプリケーションを高速化する 。」

今日の多くの製品のシステムを設計する際、消費電力、パフォーマンス、およびダイ面積は、複雑な人工（AI）および機械学習（ML）SoC要件の多くを制約します。

オープンソースのRISC-V命令セットアーキテクチャ（ISA）を拡張することは、これらの制約に対処するための効果的な手段として見過ごされがちです。半導体業界の設計サービス会社であるQuantumLeap Solutionsが主導する最近のウェビナーパネルは、SoC設計用のRISC-VISAの拡張から謎を取り除く手助けをしようとしました。 「 RISC-Vの柔軟性–カスタム拡張機能の力」というタイトルのウェビナー 、」100人を超える参加者からの質問に答えました。

パネリストは、新しいアプリケーションの設計における変更されたISAの役割と、設計者が新しいRISC-V命令セットアーキテクチャの拡張機能をどのように見ているかについての洞察を提供しようとしました。

Quantum LeapSolutionsの創設者兼社長であるMikeIngsterがモデレートし、パネリストは次のとおりです。

• アンデステクノロジーのFAEディレクター、ジョンミン
• Imperas Softwareの営業担当副社長、Larry Lapides
• メンターのシニアアプリケーションエンジニア、テクナム

Mike Ingster： RISC-Vが他のCPUアーキテクチャよりもAIおよびML学習アプリケーションに適しているのはなぜですか？

ジョンミン ：RISC-Vが発明された時期は、AIが主流になるのと同時期でした。 RISC-Vベクトル命令セットは、AIおよびVRタイプのアプリケーションを念頭に置いて設計されました。

ラリーラピデス ：異種プロセッサのマルチプレックスアレイを備えたAIアプリケーション（複数回実装されているアーキテクチャ）では、設計者はアレイ内でスカラープロセッサとベクトルプロセッサを組み合わせることができます。第二に、RISC-Vアーキテクチャにより、設計者はベクトル命令を保持しながら不要な機能を削除できます。これにより、価格、パフォーマンス、および面積が向上します—PPA。

Ingster ：ベクター拡張機能を備えたRISC-Vコアをカスタム命令で拡張することもできますか？

最小 ： はい。 1つの例は、顧客拡張機能を使用してバッファーを追加するリファレンス実装を備えたRISC-Vベクターコアです。これにより、データの不足によるベクトルユニットのストールが防止されます。

ラピッド ：ImperasとAndesには、この分野で役立つカスタム機能を実装した共同顧客がいます。

Ingster ：マルチプロセッサアレイでは、すべてのCPUが同じ構成である必要がありますか？または、異なるカスタム手順を使用できますか？

ラピッド ：はい、SoC設計の異種プロセッサは一般的です。さらに、プロセッサごとに異なる可能性があるのはカスタム命令だけではありません。各プロセッサの基本命令も異なる場合があります。たとえば、あるプロセッサがベクトル命令を持ち、別のプロセッサがスカラー命令を持つことができます。これらはインターリーブして組み合わせることができます。

最小 ：多重化アレイでは、CPUとシミュレーターの両方を異種接続して、マルチコアシミュレーションを有効にすることができます。

Ingster ：サーバークラスのRISC-Vプロセッサが市場に出回っていますか？

最小 ： 来ている。時間の経過に伴うCPU設計は、さまざまな方法で高速になります。 1つは周波数を上げることです。もう1つは、CPUパイプラインを拡張することです。もう1つは、命令を順不同で実行するようにプロセッサを設計することです。また、実行幅を広げて、よりスーパースカラーの編成、または今日一般的になりつつある数千のマルチコアを使用する設計を提供します。これらの要素がAIエンタープライズアプリケーション用の次世代RISC-Vプロセッサに組み込まれるのを見るのは時間の問題です。

ラピッド ：RISC-Vの過去の歴史を見ると、当初は32ビットと64ビットの概念実証SoCがありましたが、約2年前に、セキュリティとIoTに重点を置いたSoCが見られ始めました。32ビットSoCは競争力があります。マイクロコントローラーを使用します。今、私たちは最初のアプリケーションクラスのプロセッサを見始めています。これらはサーバークラスではありませんが、ハイエンドアプリケーションを検討している実際のRTOSを実行している64ビットRISC-Vプロセッサ上の初期シリコンを確認しています。いくつかの故障したパイプラインが構築され始めています。今後2〜3年で最初のサーバークラスのRISC-Vプロセッサを期待しています。

Ingster ：カスタム拡張機能は、デバイスのセキュリティとライフサイクル管理を提供できますか？

最小 ：はい、実装によって異なります。たとえば、命令拡張を有効にしてチェックを実行します。プログラムはカスタム拡張機能をチェックします。存在しない場合、ソフトウェアは実行できません。別のオプションは、メモリへのカスタムポートを実装することです。したがって、RISC-V CPUには、メインバスを使用するのではなく、メモリへのプライベートバスがあります。

テクナム ：設計者は、カスタム拡張機能を備えたSoCのセキュリティとライフサイクル管理にTessent組み込み分析IPを使用できます。

Ingster ：カスタム命令に対するRISC-Vのアプローチが、ARCやTensilicaなどの他のアプローチと異なるのはなぜですか？

最小 ：CPUは、特定のタスクを高速化するためにカスタム拡張機能を採用しています。 RISC-Vの違いは、カスタム拡張機能を標準に組み込むための正式なメカニズムを提供することです。

Ingster ：開発者はどのようにしてカスタムの指示を顧客やパートナーと共有できますか？

最小 ：3つのオプションがあります。まず、非公開にします。次に、標準に含めるためのRISC-VInternationalへの追加を提案します。たとえば、アンデスは一連のDSP命令をRISC-Vインターナショナルに寄付しました。これらは現在、RISC-V標準のP拡張です。第三に、命令の使用法を他の人と共有する場合、組み込みファイルとヘッダーファイルを共有することになります。カスタム命令の実装を共有することを計画している場合は、3者間NDAを行う必要があるかもしれません。

ラピッド ：カスタム拡張機能の開発者は、モデルをオープンソースまたはバイナリモデル、ISSまたは命令精度の高いプロセッサモデルとして顧客またはパートナーに渡すことができ、初期のプレシリコンソフトウェア開発に使用できます。

Ingster ：カスタム拡張機能はRISC-Vコミュニティ内の互換性の問題につながりますか？

最小 ：これは、カスタム命令の使用方法によって異なります。カスタム命令がプロプライエタリに保たれている場合、開発者だけがそれを使用しているため、定義上、断片化は発生しません。カスタム命令が非常に成功した場合、それは他の多くの人によって使用されています。おそらく、それを基本的なRISC-Vセットに組み込むときです。公開するか、所有権を維持するかは、作成者次第です。いずれにせよ、断片化は発生しません。

Ingster ：ベクトルプロセッサは現在のバージョンのコンパイラでサポートされていますか？

最小 ：RISC-Vベクトル拡張バージョン0.8は、コンパイラがそれらをサポートするのに十分安定しています。 GCCとLLVMはどちらも、既存の0.8バージョンの仕様をサポートしています。コンパイラの最終バージョンは、RISC-V VectorExtension仕様が完成したときに利用可能になります。

Ingster ：ソフトウェアツールチェーンでカスタム拡張機能はどのようにサポートされていますか？

ラピッド ：設計者は、カスタム拡張機能をRISC-Vモデルに追加して、ソフトウェア開発に使用できる命令セットシミュレータを提供します。ツールチェーン側では、新しいカスタム拡張機能のサポートをGCCとLLVMに追加できます。どちらもオープンソースのツールチェーンであり、お客様の裁量で変更できます。設計者は、カスタム命令をサポートするためにマクロ実装をアセンブルすることもできます。

Ingster ：コンパイラはどのようにして新しく作成されたカスタム命令を認識しますか？

ラピッド ：ソフトウェアチームは、コンパイラに命令を実装する必要があります。

最小 ：追加を行うという大変な作業を伴わない代替手段は、特に命令をプロプライエタリに保つことを目的としている場合、カスタム命令をライブラリ（DSPライブラリなど）のように扱うことです。次に、プログラムの実行でカスタム命令が必要な場合は、ヘッダーファイルを使用してライブラリを呼び出します。したがって、最小限の作業で、設計チームはカスタム関数の作成から期待される利益の多くを達成します。

Ingster ：RISC-VでサポートされているOSとAndroidのサポートはありますか？

ラピッド ：Androidがサポートされているのを見たことがありませんが、RISC-Vで設計されたウェアラブルデバイスがいくつかあります。 LinuxフリーのRTOSであるZephyrRTOSは、サポートされている主要なものです。サポートされている他のリアルタイムオペレーティングシステムがあります。 RISC-VInternationalのソフトウェアWebページに完全なリストがあります。

最小 ：AndroidOSはRISC-Vプロセッサで検証されていません。実行できるかどうかという問題というよりは、移植の演習であると思います。 RISC-Vコアは現在Linuxを実行しています。

Ingster ：カスタム拡張機能はどのように検証されますか？

ラピッド ：カスタム拡張機能はデザインのRTLに追加されますが、プロセッサモデルにも追加する必要があります。カスタム命令とカスタムレジスタは、この機能を使用して検証できます。通常、命令セットシミュレータで実行されているプロセッサモデルに拡張機能を追加すると、ソフトウェア開発が可能になります。

テク： 最近、お客様にSoCにカスタム命令を実装してもらいました。組み込みの分析IPを使用して、彼らの目標は、カスタム拡張機能を追加することによるソフトウェアパフォーマンスの向上を検証することでした。これは、トレースを使用してデータと命令の実行を追跡することで実現されました。これは、パフォーマンスの向上を検証する効果的な手段です。

Ingster ：組み込みの分析IPを追加するにはどのくらいの領域が必要ですか？

テク： 標準的な答えはありませんが、1％は、組み込み分析IPに専念する領域の一般的な見積もりです。この見積もりには、分析モデル、コミュニケーター、およびこれらの要素を接続するメッセージファブリックが含まれます。ブロックには複数のオプションがあるため、さまざまな構成が可能です。各顧客の設計が評価され、組み込みの分析IPが顧客の設計に実装するように構成されます。このようにして、総面積が推定されます。面積への影響を最小限に抑えて、特定の設計に最高の価値を提供できるソリューションを決定します。

これらはパネルのハイライトであり、そのフルバージョンはによってホストされています Quantum Leap Solutions 。