Processeurs RISC-V et SoC pour systèmes embarqués

Créé: Août 3, 2022
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Chaque microprocesseur est construit sur une architecture de jeu d'instructions (ISA), qui définit les fonctions de haut niveau utilisées pour exécuter des opérations informatiques avec des données numériques. Une ISA est l'un des composants essentiels d'un CPU qui définit comment le logiciel communiquera avec le matériel. Elle définit essentiellement des commandes de manière à ce qu'une machine puisse comprendre et inclut généralement des instructions pour les opérations de mémoire, la manipulation de données, les opérations arithmétiques, les opérations logiques et les opérations de contrôle de flux. Une ISA définit également comment les instructions sont stockées, encodées et accessibles.

Les ISA dominantes au cours des deux dernières décennies ont été x86, x64 et ARM, qui ont toutes contribué à l'adoption de l'informatique personnelle et embarquée aux niveaux que nous voyons aujourd'hui. Alors que ARM est parmi les architectures de processeurs les plus utilisées, un nouveau concurrent open-source est adopté par l'industrie des semi-conducteurs. Cette architecture alternative est RISC-V (prononcé « risque cinq »), et elle a été adoptée par la communauté open-source et les fournisseurs de semi-conducteurs comme une alternative aux architectures ARM et x86/x64.

Bien que nous ne nous attendions pas à ce que les architectures x86/x64 ou ARM d'Intel disparaissent de sitôt, RISC-V offre une alternative open-source convaincante. Désormais, certains fournisseurs de semi-conducteurs prennent en charge les implémentations RISC-V dans leurs FPGA, et la communauté open-source a répondu avec une vague de propriété intellectuelle de fournisseurs et de bibliothèques pour accélérer le développement. Dans cet article, nous examinerons certains des produits basés sur RISC-V les plus récents lancés sur le marché par les fournisseurs de semi-conducteurs.

Qu'est-ce que RISC-V ?

L'ISA RISC-V est une ISA open-source qui peut être utilisée pour définir les manipulations de données numériques de bas niveau qui sont mises en œuvre dans un cœur de microprocesseur. La spécification utilise un ensemble de 49 instructions compatibles avec les implémentations matérielles 32 bits. La largeur de mot peut être utilisée à 64 bits avec un ensemble de 14 instructions d'extension, ou jusqu'à 128 bits (en théorie). En tant que spécification open-source, l'ensemble d'instructions principal et les extensions optionnelles peuvent être personnalisés, supprimés ou totalement réécrits pour fournir une architecture de processeur personnalisée ou hautement spécifiée pour une utilisation dans de nouveaux puces.

Depuis le début du développement de RISC-V en 2010 (au Par Lab de Berkeley), les créateurs de RISC-V ont ensuite fondé SiFive, une entreprise de propriété intellectuelle de cœur de processeur. L'entreprise a fourni la toute première architecture de cœur de processeur entièrement open source construite sur RISC-V. L'architecture peut être utilisée comme spécification de base pour concevoir une architecture logique numérique qui met en œuvre l'ISA RISC-V et toute fonction utilisateur supplémentaire.

Pourquoi construire sur RISC-V ?

Construire un processeur d'application personnalisé sur RISC-V offre aux développeurs un excellent chemin vers la création d'un nouveau processeur sur silicium personnalisé, ou la construction d'un processeur reconfigurable sur un FPGA. Le développement logique avec RISC-V sur un FPGA apporte ses propres avantages grâce à la personnalisabilité et la reconfigurabilité des plateformes FPGA, ainsi qu'à leur haute densité de calcul. Pour les applications embarquées nécessitant plus qu'un RTOS, les cœurs RISC-V peuvent être portés pour supporter les distributions Linux.

Processeurs RISC-V et IP

Les développeurs RISC-V peuvent utiliser l'ensemble d'instructions et son implémentation matérielle de deux manières possibles : pour développer des conceptions logiques personnalisées sur un nouveau design de puce, ou pour implémenter une logique spécialisée dans un FPGA. L'industrie commence juste à utiliser RISC-V comme architecture de base pour les conceptions de microcontrôleurs, mais ces composants ne sont pas disponibles à grande échelle.

Actuellement, la gamme de processeurs commercialement disponibles pouvant supporter RISC-V est limitée aux FPGA, où RISC-V est pris en charge avec l'IP du fournisseur. Pour le moment, construire sur un FPGA est une excellente option pour les développeurs de systèmes, tant du point de vue du prototypage que dans la conception d'un matériel spécifique à l'application personnalisé qui est fortement optimisé pour les charges de travail informatiques lourdes.

Microchip PolarFire

La plateforme PolarFire de Microchip est la plateforme FPGA basée sur RISC-V phare de l'entreprise, où un morceau de processeur prêt à l'emploi est construit directement à partir du tissu d'interconnexion FPGA. La gamme de produits PolarFire comprend plusieurs composants et numéros de pièce, tous visant la consommation d'énergie la plus faible avec une haute densité de calcul dans les applications embarquées. Ce SoC FPGA peut être fortement personnalisé en utilisant la suite de conception Libero SoC, et l'IP de base est disponible pour une utilisation dans la plateforme PolarFire. En termes de capacités matérielles, le système peut supporter des transceivers de 12,7 Gbps et PCIe 2 I/O.

Efinix Trion et Titanium

Efinix est un fournisseur de semi-conducteurs plus petit, mais ils ont adopté RISC-V dans leur IP de fournisseur avec deux produits SoC pour les produits Trion et Titanium.

Sapphire SoC - Cette implémentation RISC-V est une instanciation configurable par l'utilisateur avec un contrôleur de mémoire optionnel (DDR ou HyperRAM) et plusieurs interfaces (jusqu'à 32 GPIOs, 3 maîtres I2C, 3 maîtres SPI, et 3 UARTs) intégrées dans le cœur du dispositif.

Edge Vision SoC - Cette bibliothèque est destinée aux applications de vision embarquée et elle inclut des interfaces standard pour les systèmes dans ce domaine d'application. Des fonctions utilisateur supplémentaires comme des blocs DSP spécialisés ou la manipulation de données peuvent être ajoutées à cette IP avec des outils de développement.

Des produits de développement sont disponibles pour les deux lignes de produits pour aider les utilisateurs à démarrer avec une nouvelle plateforme, comme le kit de développement Trion T20 MIPI D-PHY/CSI-2 pour les applications de vision.

Xilinx et Bluespec

Bluespec Inc., partenaire officiel de développement pour Xilinx, prend désormais en charge les implémentations de cœurs RISC-V 32 bits sur les FPGA de Xilinx. Ce SoC IP cible les applications nécessitant un seul cœur de processeur exécutant Linux sur un FPGA. Le RISC-V RV32IMAC SCL prend en charge les instructions de base entières RISC-V (I), la multiplication et la division entières (M), atomiques (A) et les instructions compressées (C), les instructions à virgule flottante simple et double (FD). Les utilisateurs peuvent implémenter le Bluespec RISC-V 32IM core IP sur les FPGA de Xilinx en utilisant l'ensemble standard d'outils de développement dans l'IDE Vivado.

L'avantage d'utiliser du matériel d'un grand fournisseur comme Xilinx est le niveau de support open-source et les produits de développement disponibles pour construire une application embarquée. Le large portefeuille d'IP Xilinx peut être utilisé aux côtés de l'architecture logique de base définie dans RSIC-V pour construire une implémentation matérielle personnalisée. Par exemple, le core IP Freedom E310 de SiFive peut être programmé sur la plateforme de développement Arty A7 de Digitlent en utilisant l'IDE Arduino.

Autres produits arrivant sur le marché

D'autres entreprises ont récemment annoncé des produits concernant l'utilisation de cœurs RISC-V dans de nouveaux produits semi-conducteurs. Ces produits sont destinés à être quelque chose de plus proche des processeurs d'application qui offrent encore une certaine programmabilité à usage général via une application embarquée. Parmi les annonces de produits récentes, on trouve :

Les produits standards spécifiques à une application (ASSPs) de Renesas, une ligne de produits basés sur RISC-V destinée à mélanger le traitement à usage général avec la spécificité de l'application.
Picocom PC802 SoC NR 5G, un processeur spécifique à une application pour les petites cellules 5G NR interférant avec les unités radio via O-RAN Open Fronthaul eCPRI ou JESD204B.
Intel va désormais prendre en charge RISC-V via sa nouvelle division de services de fonderie, permettant aux entreprises sans usine de créer des conceptions compatibles avec les capacités de traitement du silicium d'Intel.
Le prochain chip accélérateur AI basé sur RISC-V de Kneron vise à apporter l'autonomie aux voitures sans conducteur en prenant en charge les systèmes ADAS de niveau 1 et 2 systèmes ADAS.

Plus de ressources pour le développement RISC-V

La conception de puces est une discipline difficile, mais utiliser un ensemble d'instructions open-source comme RISC-V comme cadre de développement est un excellent moyen d'accélérer la conception de l'architecture des puces. Le défi pour un concepteur logique est de créer les circuits logiques qui représentent les instructions définies dans la spécification RISC-V. Pour un microcontrôleur ou un MPU, c'est une tâche ardue et cela nécessite beaucoup d'expérience ; ce n'est pas quelque chose qu'un concepteur ferait typiquement seul.

Cependant, pour un FPGA, il existe de nombreuses implémentations RISC-V qui peuvent être utilisées pour construire rapidement une architecture hautement extensible incorporant des fonctions personnalisées de l'utilisateur. C'est quelque chose sur lequel les outils des fournisseurs et la communauté open-source ont passé beaucoup de temps à construire, et maintenant il y a de nombreux cœurs RISC-V qui peuvent être utilisés dans le développement FPGA. Pour commencer, jetez un œil à certains de ces dépôts GitHub :

Ceci n'est qu'une petite section de ce qui est disponible, il y a beaucoup plus de dépôts open-source que vous trouverez sur GitHub qui sont utiles avec une variété de FPGA. De plus, pour tout développeur FPGA intéressé à construire sur l'ISA, RISC-V International a lancé un Programme de Partenariat de Formation RISC-V. Les développeurs peuvent mieux comprendre les avantages de la coopération ouverte et élargir leurs connaissances sur RISC-V.

La grande partie de l'architecture RISC-V est qu'elle peut être modifiée et vendue sur le marché ouvert. Les startups de semi-conducteurs sans usine proposent maintenant leur IP de base basée sur l'ISA RISC-V sous licence à d'autres entreprises selon un modèle commercial similaire à celui d'ARM. De même, les entreprises rendent leur IP de fournisseur disponible à l'achat et à l'utilisation dans les FPGA des principaux fabricants de semi-conducteurs. À mesure que ces composants basés sur RISC-V arrivent sur le marché, nous pouvons nous attendre à ce qu'ils offrent des niveaux élevés de spécificité pour des applications avancées.

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