RISC-V ISA に基づくデバイスに関心を持つ企業が増え、商用またはオープンソースの形で利用できるコア、アクセラレータ、およびインフラストラクチャ コンポーネントの数が増える中、エンド ユーザーはますます困難な課題に直面しています。彼らが最良の選択をすることを保証します。
各ユーザーは、RISC-V オファリングの柔軟性とほぼ同じ一連のニーズと懸念を持っている可能性が高く、従来の PPA メトリックをはるかに超えて、安全性とセキュリティの懸念、または品質の考慮事項にまで拡張されます。 これには、アーキテクチャの拡張とそれに伴う必要な検証を可能にする検証資料の適応性が含まれる場合があります。
従来、仮想プロトタイプ、エミュレーション、FPGA プロトタイプ (これらのハイブリッドを含む) の XNUMX つのレベルのプロトタイピングが展開されてきました。 その後、各プラットフォームは、ソフトウェア検証、アーキテクチャ検証、ハードウェアの機能検証、パフォーマンス分析など、さまざまな目的で使用されます。
RISC-V の設計とソフトウェアのエコシステムは確立されつつありますが、構成と検証のエコシステムは後れを取っているため、新しいテクノロジを構築する必要があります。 RISC-V の柔軟性こそが、固定プロセッサの検証に必要な以上に、検証に大きな課題をもたらします。 また、ハードウェアとソフトウェアの共同開発が可能になるだけでなく、必要になります。
共同開発
以前は、ハードウェアを選択してから、その上で実行するソフトウェアを開発していました。 RISC-V では、多くの場合、ハードウェアはソフトウェアによって駆動されます。 「最初に選択しなければならないのは、どの標準 RISC-V オプションが必要かということです」と、 Imperasソフトウェア. 「RISC-V 機能セットには、現在 200 または 300 のオプションがあります。 アルゴリズムが浮動小数点ユニット、SIMD、ハードウェア乗算器、さらにはベクトル エンジンから恩恵を受けるかどうかをどのように判断しますか? アプリケーションの種類や、プロセッサに実行させたいジョブに合わせて、必要となるハードウェア機能を検討する必要があります。 それ自体がちょっとした挑戦になります。」
この種のトレードオフを行うには、プロトタイプが必要です。 「設計者の目的がパフォーマンスを評価し、目的に適合することである場合、仮想プロトタイピングが唯一の実行可能な選択肢です。 二次. 「ハードウェア プロトタイプの構築には、サブシステムまたは SoC 全体の SystemC モデルを作成するよりも 10 倍から 50 倍以上の時間がかかります。 SystemC 仮想プロトタイプは一般に、このプロセッサ コアで XNUMX 秒あたり何フレームのスループットを取得できるか、関数 X のピーク帯域幅と平均帯域幅の要件など、許容可能な精度エンベロープ内で、パフォーマンスに関する質問に答えるのに十分な速度で実行されます。」
適切な精度を得るのは難しい場合があります。 「正確さと、モデルを非常に高速に回転させる能力がすべてです」と、Frank Schirrmeister は言います。 アルテリスIP. 「適切な精度は、質問が要求するものによって定義されますが、それらを生成することは簡単ではありません。 ASIP プロバイダーの場合は、お持ちのテンプレートからそれらを生成できます。 質問によっては、パイプラインの精度が必要な場合もあれば、メモリの精度が必要な場合もあります。完全に正確である必要はありませんが、CAD 部門が関与している場合、彼らは間違った質問に答えるのを恐れています。」
ただし、精度は速度とのトレードオフです。 「一部の仮想プロトタイプは正確なサイクルですが、必要なソフトウェア スループットを得るには実行速度が遅すぎることがよくあります」と Imperas の Davidmann 氏は言います。 「最高パフォーマンスの仮想プロトタイプは、プロセッサ パイプラインをモデル化していないため、パフォーマンス エンジンではありません。 彼らはそれをソフトウェアの観点から見ており、コンパイルしてハードウェアで実行することができ、命令数やおおよそのタイミング見積もりを見ることでおおよそのパフォーマンスを知ることができます。 この種のアーキテクチャ上の決定を下すには、これで十分なはずです。」
多くの場合、いくつかのプロトタイプが必要です。 Microchip Technology の FPGA ビジネス ユニットのソフトウェアおよびシステム エンジニアリング担当シニア ディレクタである Venki Narayanan は、次のように述べています。 「XNUMX つは、すべてのパフォーマンス メトリクスと要件、および機能の検証を確実に満たすためのアーキテクチャの検証です。 もう XNUMX つの理由は、組み込みソフトウェアとファームウェアの開発です。 さまざまなレベルのプロトタイピング手法を使用しますが、最も一般的なのは、独自の FPGA を使用して、アーキテクチャと機能の両方を検証するためのエミュレーション プラットフォームを開発することです。 また、QEMU のようなアーキテクチャ モデルを使用して、パフォーマンスの検証と組み込みソフトウェア開発の両方のための仮想プラットフォームを構築しています。」
可能性の数は増えています。 RISC-V International の CTO である Mark Himelstein は、次のように述べています。 「これらは、メーカー レベルのシングル ボード コンピューターからエンタープライズ LINUX 対応ボードにまで及びます。 エミュレーション環境 (QEMU など) により、開発者はハードウェアが完成する前にソフトウェアを開発することができ、組み込み SoC (Espressif や Telink などの企業) から FPGA (Microsemi などの企業) まで、どこにでも既製の部品があります。 Intel と SiFive による今後の Horse Creek ボードです。」
パフォーマンスと精度のトレードオフに戻ります。 「物理的なプロトタイプは、実際の RTL を接続して合成するため、はるかに多くの設計作業が必要ですが、はるかに優れた精度とスループットを提供します」と Quadric の Roddy 氏は言います。 「FPGA システムの物理プロトタイプは、自社製であろうと大規模な EDA 企業のものであろうと、育てるのに労力がかかります。 ただし、SystemC モデルよりも XNUMX 桁速く、完全なゲート レベルのシミュレーションよりも数桁速く実行できます。 設計チームは通常、IP 選択プロセス中に C ベースのモデルから、IP 選択後の実際の設計の検証と、システム ソフトウェア開発プラットフォームとしての物理モデルに移行します。」
ハードウェアに必要な機能セットがわかったら、ほとんどのニーズを満たすソリューションが既に作成されているかどうかを確認できます。 「すべてのベンダーが存在する可能性があり、探しているタイプのものを備えた商用ソリューションが存在する可能性があります」と Davidmann 氏は言います。 「しかし、RISC-V では、そのソリューションをそのまま受け入れる必要はありません。 RISC-V の価値の重要な部分は、自由に変更、修正、必要に応じてさまざまなものを追加できることです。」
実装の選択
パイプライン ステージの数や投機的実行機能など、一連の機能を実装する方法は多数あります。 消費電力、性能、面積のトレードオフはそれぞれ異なります。 Roddy 氏は次のように述べています。 「システム アーキテクトは、プロセッサのブランドに関係なく、SoC 設計の目標に関する質問に答える必要があります。 技術レベルでは、RISC-V の時流は、モデリングおよびパフォーマンス分析ツールのサポートと比較して、市場で安定した位置にあります。 多数の競合するコア ベンダーが存在し、それぞれが異なる実装とプロセッサ機能を備えています。 メイン システム CPU としては、Arm ほどの寿命はないため、さまざまな種類の既製の RISC-V コアに対して、広く検証され、すぐに使用できるモデリング サポートを広く検証しているエコシステム プレーヤーは、EDA の世界ではほとんどいません。 RISC-V ベンダーの構成可能で変更可能なコアとして、RISC-V の世界は、テンシリカが 25 年かけて構築してきた命令セットの自動化のレベルに遅れをとっています。 したがって、RISC-V は、既製のビルディング ブロックとしてのモデリング サポートが少なく、命令セットの実験用プラットフォームとして使用する自動化が少ないのです。」
しかし、それは評価が必要な実装の XNUMX つの側面にすぎません。 それの品質は何ですか? 変更したい場合、どのように再検証しますか?
パフォーマンスは、これらの中で最も評価しやすいものです。 「これは、従来のプロセッサ ベンダーに行くのと何ら変わりはありません」と Davidmann 氏は言います。 「彼らは、このコアが XNUMX ワットあたりの Dhrystones を提供すること、典型的なプロセッサの分析データを提供することを教えてくれます。これは、このマイクロアーキテクチャの実行速度を示しています。 彼らはすべてのデータを持っており、プロセッサ コアのライセンスを取得している人は誰でもそのデータに精通しており、彼らと話をしてその情報を入手します。 データシートにはおそらく多くの選択可能なオプションがあり、「このオプションをオンにすると、これまたはそれが得られます」と言うでしょう。 データシートやベンダーのウェブサイトで確認できます。」
このレベルでは、おそらくサイクル精度が必要です。 「ほとんどの人がエミュレーターに送り込み、十分なデータを実行して合理的な決定を下しているのを目にします」と Schirrmeister 氏は言います。 「すぐに仮想プロトタイプに移行するとは思えません。 一部の企業は、独自のシングル ボード ソリューションを持つ FPGA プロトタイプについて話しています。 答える必要がある質問に応じて、それを構成して生成し、FPGA に送り込んでさらに多くのデータを実行し、その上に適切なソフトウェア ルーチンを追加することができます。 業界には、これを可能にするエミュレーターとプロトタイピングへの十分な迅速な参入方法があります。 基本的な問題は、できるだけ正確なデータに基づいてこの決定を下したいということですが、決定を下したいときにその時点でその正確なデータを持っていない可能性があることです。」
これらのプロトタイプの多くには、プロセッサ以外のものを含める必要があります。 「仮想プラットフォームは、実世界の環境で動作するメモリやセンサーなど、他の外部物理ハードウェア機能と統合する機能を提供します」と Microchip 社の Narayanan 氏は述べています。 「ハイブリッド システムは、仮想プラットフォームと他の外部機能の物理プロトタイプを組み合わせることができます。 FPGA エミュレーションとプロトタイピングは、競合状態などのタイミング関連のバグを見つけるのに役立ちます。これは、サイクルがより正確になり、外部関数が高速で実行されるためです。」
Verification
プロセッサの設計は長い間社内で行われてきたため、プロセッサを構築するための公的な検証エコシステムは存在せず、RISC-V の機能には、これまでにないほど柔軟な検証ソリューションが必要です。 これの作成はまだ始まったばかりです。
「Dhrystones や CoreMark などの業界指標があるため、人々はパフォーマンスを比較できます」と Davidmann 氏は言います。 「しかし、どのように検証品質を比較できますか? 各ベンダーが「これが私たちのやり方だ」と言えるように、公平な競争条件が必要です。 検証にはいくつかの品質指標が必要です。」
これは、オープンソースの動きが役立つ場所です。 「RISC-V エコシステムを見ると、非常に経験豊富なプロセッサ開発者が多数います」と Schirrmeister 氏は言います。 「両極端です。 XNUMX つは、ベンダーからコアを入手しているが、それが機能しない場合は、ベンダーに問題があるということです。 一方で、私には完全な自由があり、すべてを自分で行います。 均衡は、これら XNUMX つの両極端の間のどこかで発展しています。 ベンダーから一定量の検証が提供され、その後の拡張は自分の責任です。」
ここで指標の出番です。「ISA の互換性は、数社しか登っていない複雑なはしごの最初の段階にすぎません」と、Breker Verification Systems の CEO である Dave Kelf 氏は述べています。 「プロトタイピングは、信頼性の高いプロセッサ動作を完全に保証する唯一の方法かもしれませんが、実際のワークロードを活用してこれらのプロトタイプを駆動すると、実際のプロセッサ カバレッジの表面に傷がつきます。 これは、開発の加速と市場投入までの時間の問題を推進するオープン ISA の競争上の取り組みと相いれないものです。」
しかし、それらの指標は何ですか? 「OpenHW 品質グループでは、これらの指標がどうあるべきかを検討しています」と Davidmann 氏は言います。 「単純な指示だけではないため、これには機能範囲なども含まれます。 高品質のプロセッサーには、それ以上のものが必要です。 参照との比較がすべてをカバーしているという確信がある検証方法が必要です。 機能カバレッジは、テストを取得したことを示しているだけですが、既知の参照の形式と比較する方法論と組み合わせる必要があります。 テスト ベンチが実際に問題を検出したかどうかを確認できるように、フォールト インジェクション テクノロジを追加する予定です。」
図 1: RISC-V 検証ソリューションのアーキテクチャの定義。 出典:インペラス
一連のツールが必要です。 「RISC-V エコシステムが成熟するにつれて、商用実装は定義された市場セグメントをサポートし始めています」と、Axiomise の創設者兼 CEO である Ashish Darbari は述べています。 「自動車など、機能安全への準拠を必要とする市場へのサポートが見られます。 セキュリティを必要とするIoTのサポートが見られます。 RISC-V ベンダーは、アーキテクチャのモデリングとパフォーマンスのための仮想プロトタイピングなど、高度な検証技術に投資しています。 設計プロセスの早い段階でバグを排除し、設計者がプロセッサとメモリのインターフェイスでのシミュレーションでコーナーケースのバグを見つけようと奮闘する中で、バグの挿入を回避するための正式な方法を早期に採用するためのツールが利用できるようになりました。」
必要になるツールの XNUMX つは、機能リストまたは一連の機能に基づいてテストケースを生成する機能です。 「検証の複雑さをタイムリーに考慮したプロトタイプを駆動するためのテスト コンテンツの自動生成が重要です」と Breker's Kelf 氏は述べています。 「これらの生成メカニズムは現在、市場に出始めています。」
まとめ
エコシステムは、その最も弱いコンポーネントと同じくらい良いものであり、RISC-V の場合は EDA ツールチェーンです。 これには XNUMX つの理由があります。 まず、最近まで、プロセッサ検証ツールの商用市場はありませんでした。 それらは過去に存在していましたが、すべて姿を消したか、レガシープロセッサー会社に溶解しました. 第 XNUMX に、RISC-V ISA の柔軟性により、新しいシステム レベルの最適化アプローチが作成され、新しいツール セットが必要になります。 この機会が理解され、それに適切に対処する商用ツールが登場するには時間がかかります。
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