RISC-V プロセッサと組み込みシステム用SoC

投稿日八月 3, 2022
更新日七月 1, 2024

すべてのマイクロプロセッサは、デジタルデータを操作して計算を実行するために使用される高レベルの機能を定義する命令セットアーキテクチャ（ISA）に基づいて構築されています。ISAは、ソフトウェアがハードウェアと通信する方法を定義するCPUのコアコンポーネントの1つです。基本的に、機械が理解できる方法でコマンドを定義し、通常はメモリ操作、データ処理、算術演算、論理演算、および制御フロー操作の命令を含みます。ISAは、命令がどのように格納され、エンコードされ、アクセスされるかも定義します。

過去数十年にわたって支配的なISAはx86、x64、およびARMであり、これらはすべて個人および組み込みコンピューティングの採用を今日見るレベルまで推進してきました。ARMは最も使用されているプロセスアーキテクチャの1つである一方で、半導体業界によって受け入れられている新しいオープンソースの競合他社があります。この代替アーキテクチャはRISC-V（「リスクファイブ」と発音）であり、オープンソースコミュニティと半導体ベンダーによってARMおよびx86/x64アーキテクチャの代替として受け入れられています。

Intelのx86/x64やARMアーキテクチャがすぐになくなるとは思われませんが、RISC-Vは魅力的なオープンソースの代替品を提供します。現在、一部の半導体ベンダーは、FPGAでRISC-Vの実装をサポートしており、オープンソースコミュニティは開発を加速するためのベンダーIPとライブラリの波で応答しています。この記事では、半導体ベンダーが市場にリリースした最新のRISC-Vベースの製品をいくつか見ていきます。

RISC-Vとは何ですか？

RISC-V ISAは、マイクロプロセッサコアで実装されるコアの低レベルデジタルデータ操作を定義するために使用できるオープンソースのISAです。この仕様は、ハードウェアの32ビット実装と互換性のある49の命令セットを使用します。ワード幅は、14の拡張命令を使用して64ビットで使用でき、理論上は最大128ビットまで使用できます。オープンソース仕様として、主要な命令セットとオプションの拡張機能はカスタマイズされたり、削除されたり、完全に書き換えられて、新しいチップで使用するためのカスタマイズされた、または高度に特定されたプロセッサアーキテクチャを提供することができます。

RISC-Vの開発は2010年にバークレーのPar Labで始まり、RISC-Vの創設者はその後、プロセッサコアIP会社であるSiFiveを立ち上げました。同社は、RISC-Vに基づいて構築された最初の完全なオープンソースプロセッサコアアーキテクチャを提供しました。このアーキテクチャは、RISC-V ISAおよび任意の追加ユーザー機能を実装するデジタルロジックアーキテクチャを設計するための基本仕様として使用できます。

なぜRISC-Vを基盤とするのか？

RISC-Vを使用してカスタムアプリケーションプロセッサを構築することは、開発者がカスタムシリコン上に新しいプロセッサを構築する、またはFPGA上に再構成可能なプロセッサを構築するための優れた方法です。FPGA上のRISC-Vを使用したロジック開発は、FPGAプラットフォームのカスタマイズ性と再構成可能性、および高い計算密度のおかげで、独自の利点をもたらします。RTOS以上を必要とする組み込みアプリケーションの場合、RISC-VコアはLinuxディストリビューションをサポートするように移植することができます。

RISC-VプロセッサとIP

RISC-V開発者は、新しいチップ設計上でカスタムロジックデザインを開発するため、またはFPGA内で特殊ロジックを実装するために、命令セットとそのハードウェア実装を2つの可能な方法で使用できます。業界はまだマイクロコントローラ設計のためのコアアーキテクチャとしてRISC-Vを使用し始めたばかりで、これらのコンポーネントは大規模には利用できません。

現在、RISC-Vをサポートできる商業的に利用可能なプロセッサの範囲はFPGAに限られており、RISC-VはベンダーIPでサポートされています。当面の間、FPGA上での構築は、プロトタイピングの観点からも、重い計算ワークロードのために大幅に最適化されたカスタマイズされたアプリケーション固有のハードウェアを設計する上で、システム開発者にとって優れたオプションです。

Microchip PolarFire

MicrochipのPolarFireプラットフォームは、同社のフラグシップRISC-VベースのFPGAプラットフォームで、FPGAインターコネクトファブリックから直接構築された既製のプロセッサが含まれています。PolarFire製品ラインには、組み込みアプリケーションでの最低電力消費と高い計算密度を目指す複数のコンポーネントと部品番号が含まれています。このFPGA SoCは、Libero SoC Design Suiteを使用して大幅にカスタマイズでき、PolarFireプラットフォームで使用するためのコアIPが利用可能です。ハードウェアの能力に関しては、システムは12.7 GbpsのトランシーバーとPCIe 2 I/Oをサポートできます。

Efinix TrionとTitanium

Efinixは小規模な半導体ベンダーですが、TrionとTitaniumの製品で2つのSoC製品にベンダーIPとしてRISC-Vを採用しています。

Sapphire SoC - このRISC-V実装は、オプションのメモリコントローラ（DDRまたはHyperRAM）と複数のインターフェース（最大32のGPIO、3つのI2Cマスター、3つのSPIマスター、および3つのUART）がデバイスコアに組み込まれた、ユーザー設定可能なインスタンスです。

Edge Vision SoC - このライブラリは、組み込みビジョンアプリケーションを対象としており、このアプリケーション領域のシステム用の標準インターフェースが含まれています。開発者ツールを使用して、このIPに特殊なDSPブロックやデータ操作などの追加ユーザー機能を追加することができます。

新しいプラットフォームでのスタートを支援するために、両製品ラインの開発製品が利用可能です。例えば、ビジョンアプリケーション用のTrion T20 MIPI D-PHY/CSI-2 Dev Kitなどがあります。

XilinxとBluespec

Bluespec Inc.は、Xilinxの公式開発パートナーとして、Xilinx FPGA上での32ビットRISC-Vコア実装をサポートしています。このSoC IPは、FPGA上でLinuxを実行する単一プロセッサコアを必要とするアプリケーションを対象としています。RISC-V RV32IMAC SCLは、RISC-Vの基本整数命令(I)、整数乗除算(M)、アトミック(A)、圧縮命令(C)、単精度および倍精度浮動小数点命令(FD)をサポートしています。ユーザーは、Vivado IDEの標準開発ツールセットを使用して、Xilinx FPGA上にBluespec RISC-V 32IMコアIPを実装できます。

Xilinxのような主要ベンダーのハードウェアを使用する利点は、組み込みアプリケーションの構築に利用可能なオープンソースのサポートと開発製品のレベルです。Xilinxの幅広いIPポートフォリオは、RSIC-Vで定義されたコアロジックアーキテクチャとともに使用して、カスタマイズされたハードウェア実装を構築することができます。一例として、SiFiveのFreedom E310コアIPは、Arduino IDEを使用してDigitlentのArty A7開発プラットフォームにプログラムすることができます。

市場に登場するその他の製品

他の企業も最近、新しい半導体製品にRISC-Vコアを使用する製品発表を行っています。これらの製品は、組み込みアプリケーションを介したある程度の汎用プログラム可能性を依然として提供するアプリケーションプロセッサに近いものを目指しています。最近の製品発表には以下のものが含まれます：

Renesas Application Specific Standard Products (ASSPs)、一般的な処理とアプリケーションの特異性を組み合わせたRISC-Vベースの製品ライン。
Picocom PC802 5G NR SoC、O-RAN Open Fronthaul eCPRIまたはJESD204Bを介して無線ユニットと接続する5G NRスモールセル用のアプリケーション固有プロセッサ。
Intelは、新しいファウンドリーサービス部門を通じてRISC-Vをサポートするようになり、ファブレス企業がIntelのシリコン処理能力と互換性のある設計を作成できるようになりました。
Kneronの今後のRISC-VベースのAIアクセラレータチップは、レベル1および2のADASシステムをサポートすることで、自動運転車に自律性をもたらすことを目指しています。

RISC-V開発のためのさらなるリソース

チップ設計は難しい分野ですが、RISC-Vのようなオープンソースの命令セットを開発フレームワークとして使用することは、チップアーキテクチャ設計を加速する素晴らしい方法です。ロジックデザイナーにとっての課題は、RISC-V仕様で定義された命令を表す論理回路を作成することです。マイクロコントローラーやMPUにとって、これは大きな課題であり、豊富な経験を必要とします。これはデザイナーが通常単独で行うようなものではありません。

FPGAにおいては、カスタムユーザー機能を組み込んだ高度に拡張可能なアーキテクチャを迅速に構築できる多くのRISC-V実装があります。これは、ベンダーツールとオープンソースコミュニティがかなりの時間を費やして構築したもので、現在ではFPGA開発で使用できる多くのRISC-Vコアがあります。始めるにあたって、これらのGitHubリポジトリのいくつかを見てみましょう：

これは利用可能なもののほんの一部に過ぎません。GitHubには、さまざまなFPGAで役立つ多くのオープンソースリポジトリがあります。さらに、ISAの上に構築に興味があるFPGA開発者のために、RISC-V InternationalはRISC-Vトレーニングパートナープログラムを開始しました。開発者は、オープンな協力の利点をより深く理解し、RISC-Vに関する知識を拡大することができます。

RISC-Vアーキテクチャの素晴らしい点は、それを変更してオープンマーケットで販売できることです。ファブレス半導体スタートアップは現在、RISC-V ISAに基づくコアIPをARMと同様のビジネスモデルの下で他社にライセンス提供しています。同様に、企業は、主要な半導体メーカーからのFPGAで使用および購入可能なベンダーIPを提供しています。これらのRISC-Vベースのコンポーネントが市場に出るにつれて、高度なアプリケーションに対する高いレベルの特異性を提供することが期待されます。

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