プロセッサをカスタマイズする理由とその方法


10月 1, 2021

プロセッサをカスタマイズする. これはプロセッサIPコアを特定のワークロードに最適化するアプローチの一つの方法です. 既存コアのリストから比較的要件を満たしているものを選び, それをスタート地点として最適化したプロセッサを作るというものです. では, なぜ, そして, どのようにプロセッサをカスタマイズするのでしょうか.

カスタム・コアを開発する利点は?

その前に, プロセッサ・コンフィグレーションとプロセッサ・カスタマイズの違いを理解しておきましょう. まず, この2つは全く異なるものです. プロセッサのコンフィギュレーションとは, IPベンダが提供するオプション(キャッシュサイズ, MMUのサポートなど)を設定することです. プロセッサのカスタマイズとは, ISAの変更や新しい命令の記述など, より踏み込んだ変更を必要とする何かを追加または変更することを意味します. このブログでは, 後者のプロセッサのカスタマイズに焦点を当てます.

性能, 面積効率, 電力効率を同時に満たす必要がある製品を開発る場合, 既存のプロセッサをカスタマイズすることは効率的です. ベクトル命令と低消費電力機能の両方を必要とする自律走行車用プロセッサを設計する場合でも, リアルタイム性と電力・面積の制約がある演算ストレージ用プロセッサを設計する場合でも, 最適化された専用コアが効果的となります.

これまでSoC上の複数のIP, もしくは多機能を集約した消費電力の激しい大きなIPで実現していた機能が, プロセッサのカスタマイズにより, 必要とする標準拡張やカスタム拡張, すべてのアーキテクチャ拡張を1つのプロセッサIPで実現することができます. 既存のプロセッサをお客様独自のニーズに合わせて最適化することには, 以下の大きな利点があります.

  • 面積を節約し, 電力とパフォーマンスの目標を的確に捉え最適化できます
  • 既存プロセッサは既に検証済みなので, カスタム拡張機能を加えた検証を行い, すぐに使用可能
  • どのような変更を行うかは, あなた次第, 競合他社との差別化に注力可能

カスタマイズはそう簡単にはできないと思われるかもしれません. またカスタム・プロセッサの検証はどこまで信頼できるのだろうか, と疑問に思われるかもしれません. 現在, 差別化することは, 難しく, 時間がかかり, 時にはより高くつくようになってきています. プロセッサのカスタマイズが成功するかどうかは, 以下の2点に懸かっています

  • RISC-VのようなオープンソースISAであること
  • 設計と検証の自動化

カスタム・プロセッサ, ASIP, ドメイン特化型アクセラレータ, アプリケーション特化型プロセッサなど, これらはすべてプロセッサのカスタマイズを意味します.

RISC-Vプロセッサをカスタマイズする方法

RISC-Vの命令セット・アーキテクチャ(ISA)は, カスタマイズされることを念頭において作られています. カスタムプロセッサを作りたいのであれば, 既存RISC-Vプロセッサから始めるのが理想的です.

基本命令セットにオプションで標準拡張非標準カスタム拡張を追加して, プロセッサを特定のアプリケーション向けにカスタマイズすることができます.

RISC-Vのモジュール式命令セット     ソース:コダシップ

設計の品質と検証の信頼性を確保する確実なカスタマイズ・プロセスには, 自動化が重要です.

コダシップは, 以下の方法でRISC-Vプロセッサが提供可能です:

  • 一般的な形式(RTL, テストベンチ, SDK)
  • CodALのソースコード

コダシップはCodALを使用して,  Codasip RISC-Vプロセッサを開発, SDKとHDKを自動生成しています. コダシップもユーザもCodALのソースコードを編集して, 独自のカスタム拡張機能を作成したり, 必要に応じて他のアーキテクチャの機能を変更することができます. 

 CODASIP STUDIOによるプロセッサ設計自動化

従来のアプローチでは, コアに新しい命令を追加するためには, 手作業で追加する方法しかありませんでした. この場合, 以下の部分を手作業で修正する必要があります.

  • ソフトウェア・ツールチェーン
  • 命令セットシミュレータ
  • 検証環境
  • RTL

ソフトウェア・ツールチェーンでは, 新しい命令をコンパイラが使用できるように組み込み関数を作成することができますが, これは同時にアプリケーションコードの更新が必要であることも意味します. しかし, 既存のISSやRTLを変更することは, エラーの原因となる可能性が高く, また, 検証環境の変更が必要な場合, これはさらに問題発生の可能性が高くなります. これらの手作業による変更を検証することは大きな課題であり, 開発プロジェクトによりリスクをもたらします.

一部のベンダは, 部分的に自動化されたソリューションを提供していますが, プロセッサのカスタマイズのすべての側面をカバーしていないため, 手動変更によるエラーのリスクが残されています.

これに対してCodasip Studioを使用した場合, CodALのソースコードのみの修正だけです. LLVMツールチェーンは, 新しい命令をサポートするように自動生成されます. 同様に, ISSとRTLもカスタム命令を含むように自動生成され, 更新されたUVM環境を使用して即検証することができます. この方法は, 時間の節約になるだけでなく, より強固で, 確実なカスタマイズ・プロセスとなっています.

RISC-VとCODASIPでアプリケーション特化型プロセッサを作る

従来のプロセッサ設計では差別化がより難しく, より時間がかかり, 時には高コストになります. 独自の差別化要件を満たすようにプロセッサをカスタマイズすることが鍵です. PPAを犠牲にすることなく, アプリケーションに特化したプロセッサを効率的に作成するには, オープン・アーキテクチャと, 設計・検証プロセスを自動化するツールが必要です. 詳細は, 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」”でご確認ください

ホワイトペーパーをダウンロードする

Roddy Urquhart

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ASIPとは?


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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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