經(jīng)過(guò)同仁們的不懈努力以及RISC-V的天然優(yōu)勢(shì)，科普和定義RISC-V已然無(wú)須贅述。這個(gè)開(kāi)源的指令集架構(gòu)（ISA）由于其靈活性、可擴(kuò)展性和模塊化而越來(lái)越受歡迎。事實(shí)上，RISC-V的主要優(yōu)點(diǎn)和主要 "存在理由 "之一是可定制的指令集（ISA）和可定制的處理器內(nèi)部設(shè)計(jì)（微架構(gòu)）以滿足特定的應(yīng)用要求。這種定制能力延伸到定制計(jì)算解決方案，使開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng)建為其工作負(fù)載優(yōu)化的硬件。那么關(guān)于RISC-V定制化，定制計(jì)算的好處和優(yōu)勢(shì)以及行業(yè)應(yīng)用有哪些呢？

硬件設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法及其局限性

當(dāng)工程師設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，總是要在靈活性和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。最靈活的方法是選擇一個(gè)通用的內(nèi)核，并對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。這種處理器構(gòu)建的現(xiàn)成方法，使得競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可以很容易地與之匹配。但這往往意味著算法的執(zhí)行效率不高，因此運(yùn)行速度極慢。

克服這一問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是創(chuàng)建固定功能電路，旨在執(zhí)行一組特定的操作。這些硬件功能可能非?？?，但由于它們是硬編碼的，很難進(jìn)行修改或更新以滿足不斷變化的應(yīng)用要求。

這是合適的解決方案是結(jié)合兩種方法。首先保持軟件的靈活性，然后在處理器中引入額外的邏輯，以實(shí)現(xiàn)速度的提升。

RISC-V標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)之初就能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。模塊化外加多種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展專門(mén)用于常見(jiàn)的使用場(chǎng)景，但它也允許設(shè)計(jì)者創(chuàng)建自有ISA補(bǔ)充，并修改內(nèi)核的微架構(gòu)以滿足特定的應(yīng)用要求。這種定制能力使特定工作負(fù)載的硬件優(yōu)化成為可能，從而提高性能、功耗和整體效率。

RISC-V定制化的主要優(yōu)勢(shì)

首先針對(duì)獨(dú)特工作負(fù)載的定制指令

RISC-V定制的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是能夠根據(jù)特定的應(yīng)用需求創(chuàng)建定制指令?？梢允褂枚ㄖ浦噶顏?lái)加速關(guān)鍵操作，減少內(nèi)存訪問(wèn)，并提高能源效率。例如創(chuàng)建一個(gè)定制指令來(lái)執(zhí)行一個(gè)特定的人工智能算法，減少執(zhí)行操作所需的時(shí)鐘周期數(shù)。這一點(diǎn)已經(jīng)在Codasip的很多技術(shù)白皮書(shū)和案例研究中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，例如L31內(nèi)核上的嵌入式AI--CodAL中的緊湊型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。在這篇論文中，我們的應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)從軟件和硬件的角度研究了什么可以使在資源受限的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行AI算法更容易。

硬/軟協(xié)同優(yōu)化

為了正確挑選定制指令并創(chuàng)建高效的實(shí)現(xiàn)，軟件和硬件團(tuán)隊(duì)需要協(xié)同合作。這就是硬件/軟件共同優(yōu)化，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)則需要改變方法。改變一貫的習(xí)慣起初似乎會(huì)引起不適，但除了更好的系統(tǒng)效率外，還有很多其它益處。在處理器定制流程的早期階段，雙方（硬件和軟件）的架構(gòu)師可以從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初始階段就進(jìn)行合作。這樣，軟件團(tuán)隊(duì)開(kāi)始開(kāi)發(fā)關(guān)鍵算法，并更早地發(fā)現(xiàn)那些如果硬件已經(jīng)凍結(jié)時(shí)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)的潛在收益。

Codasip利用自研的架構(gòu)語(yǔ)言CodAL和工具來(lái)支持這種協(xié)同合作，甚至在硬件設(shè)計(jì)者開(kāi)始編寫(xiě)第一行RTL之前就能運(yùn)行軟件！

以可控成本實(shí)現(xiàn)最佳PPA的定制計(jì)算

添加定制指令已經(jīng)是提高處理器效率的一個(gè)非常有效的方法。但還有許多有用的額外功能。比如增加處理器和接口或其他處理元素之間的數(shù)據(jù)吞吐量，并行化一些操作，管理特定的數(shù)據(jù)類型，或增加與應(yīng)用相關(guān)的功能。這些可修改的例子不僅僅是只增加指令，而是為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)量身定制的優(yōu)勢(shì)所在。

在Codasip，我們稱之為 -定制計(jì)算。

定制計(jì)算使設(shè)計(jì)者能夠?yàn)樘囟愋偷墓ぷ髫?fù)載創(chuàng)建優(yōu)化的硬件。它可以實(shí)現(xiàn)任何工藝技術(shù)增益都無(wú)法帶來(lái)的PPA收益，包括已經(jīng)失效的摩爾定律。

定制指令的優(yōu)勢(shì)

定制計(jì)算對(duì)于需要高性能、低延遲或高能效的應(yīng)用特別有價(jià)值。更重要的是它可以構(gòu)建不二的差異化競(jìng)品，與實(shí)際需求完美匹配的競(jìng)品。而這也是處理器工程的 "高級(jí)定制"。

提高安全性和可靠性

除去性能和能源效率之外，定制計(jì)算還可以使企業(yè)通過(guò)在處理器的核心部分增加安全功能來(lái)提高安全性。通過(guò)創(chuàng)建定制指令，還可以使軟件具有排他性，使得競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手無(wú)法使用，同時(shí)使?jié)撛诘墓粽唠y以生存，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全和安全性。

此外，定制計(jì)算還可以專注于提高可靠性和減少維護(hù)成本。通過(guò)添加糾錯(cuò)功能和特殊運(yùn)行時(shí)的硬件檢查，以減少硬件故障的風(fēng)險(xiǎn)，并盡量減少停機(jī)時(shí)間。例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或汽車等應(yīng)用。

靈活性是關(guān)鍵

通過(guò)定制進(jìn)行創(chuàng)新

總之，RISC-V定制和更普遍的定制計(jì)算帶來(lái)了顯著的效率提升。通過(guò)硬件和軟件團(tuán)隊(duì)之間緊密的合作來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要強(qiáng)有力的方法論和高效的工具來(lái)支持。手動(dòng)完成所有這些將是一項(xiàng)巨大的任務(wù)。這就是為什么Codasip可以通過(guò)以下解決方案協(xié)助目標(biāo)達(dá)成：

可定制的RISC-V IP

幫助識(shí)別改進(jìn)領(lǐng)域和支持硬件/軟件共同優(yōu)化方法的工具。

審核編輯 ：李倩