RISC-V SoC設計におけるカスタム拡張の解明

ベースプロセッサの構成や、ハードウェア・ソフトウェア設計トレードオフを解決するためのカスタム拡張の追加について語ることは、長らくRISC-Vコミュニティの価値提案の基石となってきました。最近の記事（適切なRISC-Vカスタム命令でアプリケーションを加速するガイドなど）は、オープンソースISAの拡張による具体的なメリットを強調しています。

今日のAIと機械学習SoCは、電力、性能、ダイ面積によって制約されており、ISA拡張はこれらの要求を満たすための強力だがしばしば見過ごされるレバーとなっています。

最近のQuantum Leap Solutionsウェビナー「RISC-Vの柔軟性 - カスタム拡張の力」は、RISC-V ISAが現代のSoC設計にどう適合できるかを解明することを目的としていました。セッションには100名以上が参加し、業界専門家パネルが登場しました。

議論は、変更されたISAが新興アプリケーションをどう加速できるか、設計者がRISC-Vアーキテクチャの拡張をどう評価するかに焦点を当てました。

Quantum Leap Solutions創業者兼社長Mike Ingster氏のモデレートで、パネリストは以下の通り：

• Andes Technology FAEディレクターJohn Min氏
• Imperas Softwareセールス担当バイスプレジデントLarry Lapides氏
• MentorシニアアプリケーションエンジニアTaek Nam氏

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

John Min: RISC-VはAIが主流になる時期に構想され、そのベクトル命令セットはAIとVRワークロードを念頭に設計されました。

Larry Lapides:異種プロセッサの多重配列を持つAIシステム（複数回実装を見てきたアーキテクチャ）では、スカラとベクトルコアを組み合わせられます。RISC-Vなら不要な機能を削ぎ落としながらベクトル命令を保持でき、優れたPPA（性能・電力・面積）を実現します。

Ingster: ベクトル拡張を持つRISC-Vコアを、さらにカスタム命令で拡張できますか？

Min: はい。典型例は、データスタベーションによるストールを防ぐために追加バッファを備えたカスタム拡張を組み込んだベクトルコアです。

Lapides: ImperasとAndesの両方に、そのようなカスタム機能を実装して性能向上を図った顧客がいます。

Ingster: マルチプロセッサ配列では、すべてのCPUが同じ構成である必要がありますか？それとも異なるカスタム命令を持たせられますか？

Lapides: 異種プロセッサは一般的です。カスタム命令はコアごとに異なれますし、ベース命令セット自体も異なれます。あるコアがベクトル命令をサポートし、別がスカラのみで、インターリーブ実行が可能です。

Min: 多重配列では、CPUとシミュレータの両方が異種化でき、効率的なマルチコアシミュレーションを可能にします。

Ingster: サーバクラスのRISC-Vプロセッサが市場に登場すると思いますか？

Min: 軌道は明確です：高周波化、ワイドパイプライン、アウトオブオーダー実行、大規模並列マルチコア。これらの要素は、AIエンタープライズワークロード向け次世代RISC-Vコアにすでに登場しています。

Lapides: 歴史的にRISC-Vは32/64ビットPoC SoCから始まりました。約2年前にセキュリティフォーカスとIoT SoCの急増を見ました。今日、アプリケーションクラスプロセッサ（64ビットRISC-Vコアで実RTOSと初期アウトオブオーダーパイプラインを実行）を目撃しています。最初のサーバクラスチップは今後2〜3年以内に期待されます。

Ingster: カスタム拡張でデバイスセキュリティとライフサイクル管理を提供できますか？

Min: もちろんです。カスタム命令でランタイムチェックを実行しソフトウェア互換性を強制したり、専用メモリポートで重要データを分離したりして、セキュリティとライフサイクル制御を強化できます。

Taek Nam: 設計者はTessent組み込みアナリティクスIPを活用し、カスタム拡張でセキュリティとライフサイクル管理をSoCに直接組み込むこともできます。

Ingster: RISC-Vのカスタム命令アプローチは、ARCやTensilicaなどの他ベンダーとどう違いますか？

Min: RISC-Vの正式な拡張メカニズムにより、カスタム命令を標準に正式に組み込む明確なパスが提供され、より広範な採用につながります。

Ingster: 開発者はカスタム命令を顧客やパートナーとどう共有できますか？

Min: 3つの選択肢があります：独占的に保持する、RISC-V Internationalに提出して標準化に含める（AndesのDSP拡張がP拡張になった例など）、イントリンシックとヘッダファイルを共有しながら実装をNDAで保護する。

Lapides: カスタム拡張モデルをオープンソースまたはバイナリで提供したり、命令精度の高いプロセッサモデルとして提供したりして、プリシリコンソフトウェア開発を促進できます。

Ingster: カスタム拡張はRISC-Vコミュニティ内で互換性問題を引き起こしますか？

Min: 独自拡張は隔離されたままです。広く使用される拡張はベースISAへの包含提案が可能で、断片化を防ぎます。

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

Min: RISC-Vベクトル拡張0.8は安定しており、GCCとLLVMでサポートされています。最終的なコンパイラサポートは公式仕様確定後に続きます。

Ingster: ソフトウェアツールチェーンでカスタム拡張はどうサポートされますか？

Lapides: 設計者は拡張をRISC-Vモデルに組み込み、ソフトウェア開発用の命令セットシミュレータを生成します。GCCとLLVMを拡張して新命令をサポートでき、設計者はマクロ実装を提供できます。

Ingster: 新しく作成したカスタム命令をコンパイラにどう認識させますか？

Lapides: ソフトウェアチームがコンパイラのバックエンドに命令を実装する必要があります。

Min: あるいは、命令をライブラリのように扱う：ヘッダファイルとオプションの独自実装を提供し、開発労力を最小限に抑えながら性能向上を得られます。

Ingster: RISC-VでサポートされるOSは？Androidサポートは？

Lapides: Linux、Zephyr RTOS、その他のリアルタイムOSが主なターゲットです。AndroidはRISC-Vで公式に検証されていませんが、移植努力が進行中です。RISC-V InternationalウェブサイトにサポートOS一覧があります。

Ingster: カスタム拡張はどう検証されますか？

Lapides: 検証には拡張をRTLとプロセッサモデルに追加します。命令セットシミュレータで早期ソフトウェア検証が可能です。

Taek: 最近の顧客が組み込みアナリティクスIPを使用し、カスタム命令による性能向上をトレース・定量化し、データ駆動型検証でメリットを確認しました。

Ingster: 組み込みアナリティクスIPの追加に必要な面積は？

Taek: 通常ダイの約1%、設定によります。各設計で面積を最適化しながら最大価値を提供するよう評価されます。

これらのハイライトは、Quantum Leap Solutions主催の完全なパネルディスカッションから抽出されています。