RISC-V 프로세서 및 임베디드 시스템용 SoC

작성 날짜: 팔월 3, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

모든 마이크로프로세서는 디지털 데이터로 컴퓨팅 작업을 실행하는 데 사용되는 고급 기능을 정의하는 명령 세트 아키텍처(ISA)를 기반으로 구축됩니다. ISA는 소프트웨어가 하드웨어와 통신하는 방식을 정의하는 CPU의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 기본적으로 기계가 이해할 수 있는 방식으로 명령을 정의하며, 일반적으로 메모리 작업, 데이터 처리, 산술 연산, 논리 연산 및 제어 흐름 작업에 대한 지시사항을 포함합니다. ISA는 또한 명령이 어떻게 저장, 인코딩, 접근되는지를 정의합니다.

지난 20년 동안 지배적인 ISA는 x86, x64, ARM이었으며, 이들은 모두 개인 및 임베디드 컴퓨팅의 채택을 오늘날 우리가 보는 수준까지 이끌었습니다. ARM은 가장 많이 사용되는 프로세스 아키텍처 중 하나이지만, 반도체 산업에서는 새로운 오픈 소스 경쟁자인 RISC-V(“리스크 파이브”로 발음)를 받아들이고 있습니다. 이 대안 아키텍처는 오픈 소스 커뮤니티와 반도체 벤더들에 의해 ARM 및 x86/x64 아키텍처에 대한 대안으로 받아들여지고 있습니다.

우리는 인텔의 x86/x64 또는 ARM 아키텍처가 곧 사라질 것으로 기대하지 않지만, RISC-V는 매력적인 오픈 소스 대안을 제공합니다. 이제 일부 반도체 벤더들은 FPGA에서 RISC-V 구현을 지원하고 있으며, 오픈 소스 커뮤니티는 개발을 가속화하기 위한 벤더 IP와 라이브러리의 물결로 응답했습니다. 이 기사에서는 반도체 벤더들이 시장에 출시한 최신 RISC-V 기반 제품들을 살펴볼 것입니다.

RISC-V란 무엇인가?

RISC-V ISA는 마이크로프로세서 코어에서 구현된 핵심 저수준 디지털 데이터 조작을 정의하는 데 사용될 수 있는 오픈 소스 ISA입니다. 이 사양은 하드웨어에서 32비트 구현과 호환되는 49개의 명령 세트를 사용합니다. 단어 폭은 64비트에서 14개의 확장 명령 세트와 함께 사용될 수 있으며, 이론적으로는 최대 128비트까지 가능합니다. 오픈 소스 사양으로서, 기본 명령 세트와 선택적 확장은 사용자 정의되거나 완전히 다시 작성될 수 있어 새로운 칩에서 사용하기 위한 맞춤형 또는 고도로 특정된 프로세서 아키텍처를 제공할 수 있습니다.

RISC-V 개발은 2010년(버클리의 Par Lab에서) 시작되었으며, RISC-V의 창시자들은 나중에 프로세서 코어 IP 회사인 SiFive를 시작했습니다. 이 회사는 RISC-V를 기반으로 한 최초의 완전 오픈 소스 프로세서 코어 아키텍처를 제공했습니다. 이 아키텍처는 RISC-V ISA와 추가 사용자 기능을 구현하는 디지털 로직 아키텍처를 설계하기 위한 기본 사양으로 사용될 수 있습니다.

왜 RISC-V를 기반으로 구축하는가?

RISC-V를 사용하여 맞춤형 애플리케이션 프로세서를 구축하는 것은 개발자들에게 맞춤형 실리콘에서 새로운 프로세서를 구축하거나 FPGA에서 재구성 가능한 프로세서를 구축하는 훌륭한 경로를 제공합니다. FPGA에서 RISC-V를 사용한 논리 개발은 FPGA 플랫폼의 맞춤화 및 재구성 가능성, 그리고 높은 계산 밀도 덕분에 자체적인 이점을 제공합니다. RTOS보다 더 많은 것이 필요한 임베디드 애플리케이션의 경우, RISC-V 코어는 리눅스 배포판을 지원하도록 포팅될 수 있습니다.

RISC-V 프로세서 및 IP

RISC-V 개발자는 두 가지 가능한 방법으로 명령 세트와 그 하드웨어 구현을 사용할 수 있습니다: 새로운 칩 디자인에서 맞춤형 논리 디자인을 개발하거나 FPGA에서 특수 논리를 구현합니다. 업계는 마이크로컨트롤러 디자인의 핵심 아키텍처로 RISC-V를 사용하기 시작했지만, 이러한 구성 요소는 대규모로 사용할 수 없습니다.

현재 RISC-V를 지원할 수 있는 상용 프로세서의 범위는 FPGA로 제한되어 있으며, RISC-V는 벤더 IP로 지원됩니다. 당분간 FPGA에서 구축하는 것은 시스템 개발자들에게 프로토타이핑 관점과 무거운 컴퓨팅 작업을 위해 크게 최적화된 맞춤형 애플리케이션 특정 하드웨어를 설계하는 측면에서 훌륭한 옵션입니다.

Microchip PolarFire

Microchip의 PolarFire 플랫폼은 회사의 플래그십 RISC-V 기반 FPGA 플랫폼으로, 준비된 프로세서 조각이 FPGA 인터커넥트 패브릭에서 직접 구축됩니다. PolarFire 제품 라인은 임베디드 애플리케이션에서 낮은 전력 소비와 높은 계산 밀도를 목표로 하는 여러 구성 요소와 부품 번호를 포함합니다. 이 FPGA SoC는 Libero SoC Design Suite를 사용하여 크게 맞춤화할 수 있으며, PolarFire 플랫폼에서 사용할 수 있는 핵심 IP가 제공됩니다. 하드웨어 기능 측면에서, 시스템은 12.7 Gbps 트랜시버와 PCIe 2 I/O를 지원할 수 있습니다.

Efinix Trion 및 Titanium

Efinix는 작은 반도체 벤더이지만, Trion 및 Titanium 제품에 대한 두 SoC 제품에서 벤더 IP로 RISC-V를 채택했습니다.

Sapphire SoC - 이 RISC-V 구현은 선택적 메모리 컨트롤러(DDR 또는 HyperRAM)와 여러 인터페이스(최대 32 GPIO, 3 I2C 마스터, 3 SPI 마스터 및 3 UART)가 내장된 사용자 구성 가능한 인스턴스입니다.

Edge Vision SoC - 이 라이브러리는 임베디드 비전 애플리케이션을 위해 의도되었으며, 이 애플리케이션 영역의 시스템을 위한 표준 인터페이스를 포함합니다. 개발자 도구로 이 IP에 특수 DSP 블록이나 데이터 조작과 같은 추가 사용자 기능을 추가할 수 있습니다.

비전 애플리케이션을 위한 Trion T20 MIPI D-PHY/CSI-2 Dev Kit과 같은 새로운 플랫폼으로 시작하는 데 도움이 되는 개발 제품이 두 제품 라인 모두에 대해 제공됩니다.

Xilinx 및 Bluespec

Bluespec Inc., Xilinx의 공식 개발 파트너로서, 이제 Xilinx FPGA에서 32비트 RISC-V 코어 구현을 지원합니다. 이 SoC IP는 FPGA에서 리눅스를 실행하는 단일 프로세서 코어가 필요한 애플리케이션을 대상으로 합니다. RISC-V RV32IMAC SCL은 RISC-V 기본 정수 명령어(I), 정수 곱셈 및 나눗셈(M), 원자적(A), 압축 명령어(C), 단일 및 이중 부동 소수점 명령어(FD)를 지원합니다. 사용자는 Vivado IDE의 표준 개발 도구 세트를 사용하여 Xilinx FPGA에서 Bluespec RISC-V 32IM 코어 IP를 구현할 수 있습니다.

Xilinx와 같은 주요 벤더의 하드웨어를 사용하는 이점은 임베디드 애플리케이션을 구축하기 위해 사용할 수 있는 오픈 소스 지원 및 개발 제품의 수준입니다. Xilinx IP의 광범위한 포트폴리오는 RSIC-V에서 정의된 코어 로직 아키텍처와 함께 사용하여 맞춤형 하드웨어 구현을 구축할 수 있습니다. 예를 들어, SiFive의 Freedom E310 코어 IP는 Arduino IDE를 사용하여 Digitlent의 Arty A7 개발 플랫폼에 프로그래밍될 수 있습니다.

시장에 출시될 다른 제품들

다른 회사들도 최근 RISC-V 코어를 사용한 새로운 반도체 제품에 대한 제품 발표를 했습니다. 이 제품들은 임베디드 애플리케이션을 통한 일부 일반 목적 프로그래밍 가능성을 여전히 제공하는 애플리케이션 프로세서에 더 가까운 것을 목표로 합니다. 최근 제품 발표에는 다음이 포함됩니다:

Renesas Application Specific Standard Products (ASSPs), 일반 목적 처리와 애플리케이션 특수성을 혼합하려는 의도의 RISC-V 기반 제품 라인입니다.
Picocom PC802 5G NR SoC, O-RAN Open Fronthaul eCPRI 또는 JESD204B를 통해 라디오 유닛과 인터페이스하는 5G NR 소형 셀을 위한 애플리케이션 특정 프로세서입니다.
Intel은 이제 새로운 파운드리 서비스 부문을 통해 RISC-V를 지원하게 되어, 팹리스 회사들이 Intel의 실리콘 처리 능력과 호환되는 디자인을 만들 수 있게 됩니다.
Kneron의 곧 출시될 RISC-V 기반 AI 가속 칩은 레벨 1 및 2 ADAS 시스템을 지원함으로써 무인 자동차에 자율성을 부여하려고 합니다.

RISC-V 개발을 위한 추가 자료

칩 디자인은 어려운 분야이지만, RISC-V와 같은 오픈 소스 명령어 세트를 개발 프레임워크로 사용하는 것은 칩 아키텍처 디자인을 가속화하는 좋은 방법입니다. 로직 디자이너에게 도전은 RISC-V 사양에 정의된 명령어를 나타내는 논리 회로를 만드는 것입니다. 마이크로컨트롤러나 MPU의 경우, 이는 큰 과제이며 많은 경험을 필요로 합니다; 이는 디자이너가 혼자서 일반적으로 수행하는 것이 아닙니다.

FPGA의 경우, 사용자 정의 기능을 통합한 매우 확장 가능한 아키텍처를 빠르게 구축할 수 있는 많은 RISC-V 구현이 있습니다. 이는 벤더 도구와 오픈 소스 커뮤니티가 상당한 시간을 들여 구축한 것으로, 이제 FPGA 개발에 사용할 수 있는 많은 RISC-V 코어가 있습니다. 시작하려면 이러한 GitHub 저장소 중 일부를 살펴보세요:

이것은 사용 가능한 것의 작은 부분에 불과하며, 다양한 FPGA와 유용한 많은 오픈 소스 저장소를 GitHub에서 찾을 수 있습니다. 또한, ISA를 기반으로 구축하는 데 관심이 있는 모든 FPGA 개발자를 위해 RISC-V International은 RISC-V 교육 파트너 프로그램을 시작했습니다. 개발자는 오픈 협력의 이점을 더 잘 이해하고 RISC-V에 대한 지식을 확장할 수 있습니다.

RISC-V 아키텍처의 훌륭한 점은 오픈 마켓에서 수정하고 판매할 수 있다는 것입니다. 팹리스 반도체 스타트업은 이제 RISC-V ISA를 기반으로 한 핵심 IP를 ARM과 유사한 비즈니스 모델 하에 다른 회사에 라이선스로 제공하고 있습니다. 마찬가지로, 회사들은 주요 반도체 제조업체의 FPGA에서 사용할 수 있도록 벤더 IP를 구매 및 사용할 수 있게 하고 있습니다. 이러한 RISC-V 기반 구성 요소가 시장에 출시됨에 따라, 우리는 고급 애플리케이션을 위한 높은 수준의 특수성을 제공할 것으로 기대할 수 있습니다.

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