RISC-VベースのオープンソースGPUアーキテクチャ「RV64X」

エンジニア集団が、3Dレンダリングとメディア処理に最適化された新しいグラフィックス命令セットを推進しています。これらの命令は、RISC-VベースベクトルISAをグラフィックス固有のデータ型とレイヤード拡張で拡張し、ベクトル、超越関数、ピクセル操作、テクスチャ、Z/フレームバッファ操作をカバーします。この提案はRV64Xと名付けられ、64ビット命令で堅牢な統合CPU-GPU ISAを提供します。

なぜ今なのか？

商用GPUはメインストリームワークロードで優れていますが、二相3Dフラスタムクリッピング、適応型HPC（任意ビット深度FFTなど）、ハードウェアSLAMなどのニッチタスクでは不足しがちです。コミュニティ主導のオープン標準は、10〜20年の開発サイクルを短縮し、相互検証を促進し、より幅広いアプリケーション向けに柔軟でスケーラブルなソリューションを提供できます。

チームのビジョンは、コンパクトで面積効率の良いコアで、カスタムプログラマビリティと拡張性を提供。FPGAとASIC両ターゲットで無料オープンソースIPとして提供され、最初は低消費電力マイクロコントローラをターゲットとします。設計はVulkan準拠で、将来的にOpenGL、DirectX、その他APIもサポート予定です。

最終ハードウェアは、統合GPU機能ユニットを持つRISC-Vコアになります。プログラマーには単一の64ビット命令セットとして提示され、スカラーオペコードがベクトルコンテキストでプレフィックスされ、コンパイラが裏でSIMD命令を生成します。アーキテクチャは可変発行、プリディケートSIMD、ベクトルフロントエンド、精密例外、ブランチシャドウイングなどをサポート。CPU-GPU通信に別途RPC/IPCレイヤーは不要です。16ビット固定小数点（FPGA向け最適）と32ビット浮動小数点（ASICまたはFPGA）をサポートします。

設計はLibre GPUプロジェクトのVblockフォーマットを活用：

• スカラー命令をレジスタコンテキストでタグ付けするビットライクなVLIW構造
• サブブロックでベクトル長、スウィズリング、幅オーバーライド、プリディケーションを提供
• 専用ベクトルオペコードなし。スカラーオペコードがベクトルタグ付きレジスタを参照するとベクトルモードが活性化
• 複数の連続スカラー操作のハードウェアレベルforループ実行。ベンダーの選択によりSIMD、マルチ発行、単一実行として実装

サポートデータ型には、8/16/24/32ビット固定・浮動小数点スカラー、超越関数（sincos、atan、pow、exp、log、rcp、rsq、sqrt等）が含まれます。RV32-Vベクトルは2-4要素操作を8/16/32ビット要素でサポートし、3Dグラフィックスパイプライン向け特殊命令：ポイント（XYZW）、ピクセル（RGBA）、テクセル（UVW）、マテリアル係数を備えます。

• XYZWポイント（64/128ビット固定・浮動小数点）
• RGBAピクセル（8/16/24/32ビット）
• UVWテクセル（コンポーネントあたり8/16ビット）
• マテリアルパラメータ（Ia、ka、Id、kd、Is、ks…）

ネイティブ2×2、3×3、4×4行列サポートを含み、簡素化のため4×4として格納されます。

CPU-GPU融合ISAのメリットには、マイクロコード駆動グラフィックスパイプライン、カスタムシェーダーサポート、レイトレーシング拡張、AI/機械学習ワークロード向け8ビット整数ベクトルサポートがあります。

カスタムラスタライザー（スプラインベースサーフェス、サブディビジョンパッチ、特注テッセレーターなど）を実装可能。アーキテクチャは完全に設定可能で、ユーザー定義パイプライン段階、ジオメトリ/ピクセル/フレームバッファ操作、インスタンシングをサポートします。

RV64Xブロック図

リファレンス実装の特徴：

• 32KB命令/データSRAMキャッシュ
• 8KBマイクロコードSRAM
• デュアル機能命令デコーダ
  • ハードワイヤードRV32VおよびRV64Xサポート
  • カスタム拡張用マイクロコードデコーダ
• クアッドベクトルALU（32ビット固定/浮動小数点）
• 136ビットレジスタファイル（1K要素）
• 特殊機能ユニット
• テクスチャユニット
• 設定可能ローカルフレームバッファ

スケーラビリティはアーキテクチャに組み込まれています。

RV64Xのスケーラブル設計

主要イノベーションには、統合CPU-GPU ISA、カスタムデータ型用設定可能レジスタ、アプリケーション固有拡張用ユーザー定義SRAMベースマイクロコード（カスタムラスタライザー段階、レイトレーシング、機械学習、コンピュータビジョン）があります。

同一コアがスタンドアロンググラフィックスマイクロコントローラとしても、スケーラブルシェーダーユニットとしても機能し、FPGAネイティブとASIC実装の両方をサポートします。

なぜオープンソースグラフィックスなのか？

現在のGPUは主にハイエンド市場（ゲーム、HFT、ビジョン、ML）をターゲットとし、キオスク、ビルボード、カジノゲーミング、玩具、ロボティクス、ウェアラブル、産業HMI、インフォテインメント、自動車クラスタなどの主流デバイスにギャップを残しています。RISC-V向けオープン・スケーラブルグラフィックスコアは、マルチ言語負担を軽減し、これらのドメイン全体でイノベーションを促進します。

次のステップ

仕様は初期段階で進化中。チームはディスカッションフォーラム立ち上げ、命令セットシミュレータ構築、オープンソースIPを用いたFPGAプロトタイプ開発を計画。ベンチマークとデモも進行中。関心ある開発者はAtif Zafarに連絡して参加可能です。

並行して、Libre-RISC-V 3D GPUイニシアチブが、専用GPUではなくハイブリッドCPU/VPU/GPU SoCの構築を目指し、多様な組み込みアプリケーション向けの完全Libreライセンスプロセッサを提供します。

業界背景

GPUエコシステムには現在1ダース以上の主要プレーヤーが存在：Apple、Qualcomm、AMD、Nvidia、Arm、Intel、Think-Silicon、DMP、Jingjia Micro、VeriSilicon、Imagination Technologies、そして新興のRISC-V Graphicsコミュニティ。

無料・柔軟なGPUの潜在ユースケースはグラフィックスを超え、暗号通貨マイニングなどの計算集約型ワークロードにも及びます。

採用には少なくとも2年かかると予想。現在ZynqラインでArm Maliを統合しているXilinxや、複数の中国ベンダーが初期採用候補として挙げられます。

► この記事は姉妹サイトEE Timesで最初に公開されました。

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Jon Peddie氏、グラフィックス業界のパイオニア、Jon Peddie Researchプレジデント。

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