ASIPとは?


4月 16, 2021

ASIPはApplication Specific Instruction-Set Processorの略です. これは特定のアプリケーションやドメインのために最適に設計されたプロセッサを意味します.

汎用プロセッサ VS. ドメイン特化型やアプリケーション特化型プロセッサ

これまでのプロセッサコアの多くは汎用型で, 平均的な性能で幅広いアプリケーションを処理できるように設計されています. そのため, オーディオ処理など特殊な計算を必要とするアルゴリズムでは, 高性能なコア(SIMDユニットやゼロオーバーヘッドループなど)や, 高いクロック周波数が必要となり, 想定したシリコンや電力が許容範囲を超えてしまう可能性があります.

それではどうすれば良いのでしょう. 答えは, オーディオ処理に必要な性能を効率的に達成するために最適化した, アーキテクチャを持つASIPを作成することです. ASIPは, オペレーティングシステムが求めるような, 汎用的な操作の処理に適した設計ではありません. OSの処理が必要な場合は, オーディオ処理アルゴリズムを実行するためのものではない, 別の汎用コアで実行すれば良いのです. このようにして, ASIPの設計は, ユースケースを満たすのに十分な柔軟性を持ちつつ, 性能面も最適化されるのです

ASIPは世界中の大学で研究され, オーディオ信号処理, イメージセンサ, ベースバンド信号処理など様々な領域に応用されています. コダシップの創業者のKarel MasaříkとCTOのZdeněk Přikrylは, ブルノ工科大学でASIPの設計自動化について研究しました. 彼らの研究の詳細については, 本記事の最後に掲載されている論文をご覧ください.

半導体のスケーリング課題に対応するためのASIP

ASIPやドメイン特化型プロセッサは, 半導体の微細化の問題から, 今後より広く使用されていくことと考えられています. これまで数十年にわたり, SoCの開発者はムーアの法則とデナード・スケーリングに基づき, シリコン形状の微細化で,回路密度と高性能を得ようとしてきました.

このスケーリングが機能している間は, 汎用プロセッサコアや新世代のシリコン技術を使用することで, 許容範囲内の消費電力で必要な性能を実現することが可能でした. しかし, このスケーリングが崩壊し, 性能向上が鈍化し, リーク電流が消費電力を悪化させることが分かってきました. 処理に対する新しいアプローチが必要とされている今, 半導体業界は変わらなければいけません.

これまで, 業界におけるこの共通課題は, 1つのSoCに異なる種類の汎用コアを搭載することで対処されてきました. 例えば, 携帯電話のSoCでは, アプリケーションプロセッサ, GPU, DSP, MCUが組み合わせていますが, これらのプロセッサはいずれもアプリケーションに特化した命令セットは持っていません.

人工知能, 高度なグラフィックス, 高度なセキュリティなど, 新たなアルゴリズムが求められる新製品が登場する中, より専門性の高いハードウェア・アクセラレータが必要とされ, 開発が進んでいます. このようなアクセラレータは, 計算負荷の高いアルゴリズムを効率的に処理するために設計されています. それぞれのアクセラレータには, 最適化された命令セットとマイクロアーキテクチャが必要となります. そう, ASIPが必要です.

ASIPとソフトウェア開発

ドメイン特化型プロセッサ(ASIPと同義語として私たちは使っています)は, ハードウェアの専門化と柔軟性を, ソフトウェアのプログラマビリティと組み合わせて実現しています.

カスタムハードウェアを作る際の課題の1つは, ソフトウェア開発者のニーズも確実に満たすことでます. 組み込み(イントリニシック)命令のような手法は, C言語から命令セットへの直接アクセスを可能にしますが, コードの柔軟性を低下させます. だたし, 複雑な機能を1つの命令で実現するような際には, この方法が有効な解決策となる場合もあります.

しかし, それでもトップダウンのアプローチの方が好ましいでしょう. あなたのドメイン特化型アクセラレータ用に作成されたコンパイラが, あなたが作成したカスタム命令を自動的に推論します. これを命令セットシミュレータとプロファイラとともに使用することで, 短時間でさまざまな設計アイデアの試行を行い, 最適なソリューションに早く収束させることができます.

Codasip Studioは, シンプルな命令レベルモデルからISAとコンパイラを生成する機能を提供し, この探求プロセスに対する完全なソリューションを提供します.

アプリケーション特化型プロセッサの設計自動化および検証

多種多様なアクセラレータを開発する必要がある中, 命令セットやマイクロアーキテクチャを手作業で開発するのは効率的ではありません. アプリケーション・ソフトウェアは, プロファイリングで解析し, そのニーズに合わせて命令セットをチューニングすることができます. その後, Codasip Studioのようなプロセッサ設計自動化ツールセットを使うことにより, ソフトウェア・ツールチェーンや命令セットシミュレータを生成することができます.

具体的には, Codasip Studioは, 命令セットを完全に認識し, 特定の命令を自動的に推論できるC/C++コンパイラの生成を自動化します. アプリケーション固有の命令の影響を確認するために, C/C++コンパイラを作業ループに含めることが重要です. 命令セットシミュレータ, デバッガ, プロファイラ, その他自動生成されるSDK内のツールも同様です. Codasip Studioは, RTL, テストベンチ, UVM環境を含むハードウェア設計環境の生成も行います.

実は…

コダシップは, もともとASIPの協調設計ツールを作るために設立された会社であり, この理由から「Co-dASIP」と名付けられました. その後, Codasip Studioは, RISC-V組み込みコアやアプリケーションコアなど, より汎用的なコアの作成にも使用されるようになりました.

プロセッサの設計は, RTLコードの生成で終わるわけではありません. 設計サイクルの主要な部分は検証であり, それは厳密である必要があります. Philippe Luc氏がSemiconductor Engineering誌で説明したように, RTLの検証は多層的で複雑です.

Codasip Studioは, ASIP設計の全フローをより迅速にするために, 検証プロセスの主要な部分を自動化することができます. 特に, Codasip Studioは, 最適化された命令の自動カバレッジポイントを生成します. 提供されるUVM環境では, モデルおよびRTLの両方でプログラム(新しい命令を含む)を実行し, 結果を比較することを容易にしています. また, 制約付きランダムプログラム生成ツールも提供し, カバレッジを満たし, お客様の検証がより迅速に行えます.

Codasip StudioとRISC-Vの最高のコンビネーションについては, ホワイトペーパー「カスタムRISC-V ISA命令によるドメイン特化型プロセッサの作成について」をご覧ください.

ASIPの設計自動化に関するコダシップの研究論文

  • MASAŘÍK Karel, UML in design of ASIP, IFAC Proceedings Volumes 39(17):209-214, September 2006.
  • ZACHARIÁŠOVÁ Marcela, PŘIKRYL Zdeněk, HRUŠKA Tomáš and KOTÁSEK Zdeněk. Automated Functional Verification of Application Specific Instruction-set Processors. IFIP Advances in Information and Communication Technology, vol. 4, no. 403, pp. 128-138. ISSN 1868-4238.
  • PŘIKRYL Zdeněk. Fast Simulation of Pipeline in ASIP simulators. In: 15th International Workshop on Microprocessor Test and Verification. Austin: IEEE Computer Society, 2014, pp. 1-6. ISBN 978-0-7695-4000-9.
  • HUSÁR Adam, PŘIKRYL Zdeněk, DOLÍHAL Luděk, MASAŘÍK Karel and HRUŠKA Tomáš. ASIP Design with Automatic C/C++ Compiler Generation. Haifa, 2013.

Roddy Urquhart

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RISC-Vは, Reduced Instruction Set Computer 5の略です. 5という数字は, 1981年以降にカリフォルニア大学バークレー校で開発されたRISCアーキテクチャの世代数を表しています. 「リスクファイブ」と発音し, 「RISC five」「R5」と表記されることもあります.

RISCのコンセプトは(スタンフォード大学の並列MIPS開発と同様), プロセッサ命令のほとんどが多くのコンピュータプログラムで使用されていない, という事実に端を発しました. プロセッサ内部に使われない命令のために, デコード回路が構成され, 不必要な電力とシリコン面積が消費されている状況でした. ではどう改善したらいいのでしょう. 命令セットを簡素化し, 代わりにレジスタリソースを大きくするという選択肢に着目しました

RISC Iプロジェクトは, わずか31もしくは32個のビット命令と驚くべきことに78個のレジスタを実装していました. このプロジェクトでは, 後にSPARCアーキテクチャで採用されることになるレジスタウィンドウという概念が導入され, その後のRISC IIプロジェクトではさらに大規模なレジスタファイル(138本)が実装されました. さらに, RISC IIでは16ビット命令も導入され, コード密度の向上に貢献しました. RISC IIIとRISC IVという用語は, それぞれ1984年のSOARプロジェクトと1988年のSPURプロジェクトを指しています

RISC-Vプロジェクトは, 特許やライセンス契約に縛られたプロプライエタリでクローズドなISAの存在が, その動機の一つになっていました. カリフォルニア大学バークレー校のクルステ・アサノビッチ氏は, 学術・産業両方のプロジェクトに適用できる, フリーでオープンなISAを作ることに大きなメリットがあると確信していました. 以前のRISCプロジェクトに携わっていたデイビッド・パターソン氏も参加しました. 2010年に3カ月間のプロジェクトを開始し, 新しい命令セットが開発され, 2011年に最初のRISC-V ISA仕様の公開につながりました

他方面からの貢献を管理するため, 2015年にオープンな共同コミュニティとしてRISC-V Foundation(現RISC-V International)が設立され, ISAのオリジナル開発者はRISC-Vに関する権利をこの団体に移管しました. それ以来, RISC-V InternationalはRISC-V ISAのさらなる開発を管理しています

Roddy Urquhart

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