【導讀】人工智能、自動駕駛汽車等技術正迅速發(fā)展，市場對定制可擴展處理器的需求也隨之不斷攀升。RISC-V開放標準指令集架構（ISA）以其模塊化設計和協(xié)作社區(qū)，引領了處理器設計新潮流，助力實現(xiàn)技術愿景。相應的，機器組件、URL、HTML和HTTP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等基礎構件的標準也正隨著技術創(chuàng)新而加速發(fā)展。標準RISC-V ISA使開發(fā)者能夠創(chuàng)建高效的處理器，同時節(jié)省軟件開發(fā)時間，從而加快上市步伐。
引言
人工智能、自動駕駛汽車等技術正迅速發(fā)展，市場對定制可擴展處理器的需求也隨之不斷攀升。RISC-V開放標準指令集架構（ISA）以其模塊化設計和協(xié)作社區(qū)，引領了處理器設計新潮流，助力實現(xiàn)技術愿景。相應的，機器組件、URL、HTML和HTTP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等基礎構件的標準也正隨著技術創(chuàng)新而加速發(fā)展。標準RISC-V ISA使開發(fā)者能夠創(chuàng)建高效的處理器，同時節(jié)省軟件開發(fā)時間，從而加快上市步伐。
標準架構通過通用規(guī)范實現(xiàn)定制設計，但對于特定應用，可能還需要在標準之外進行額外的定制。RISC-V社區(qū)認識到這一需求，并評估了許多此類定制任務，以便重新納入標準。結合RISC-V定義的矢量擴展（RVV）與定制DSP指令來開發(fā)處理器IP，有望為需要信號處理功能的低功耗嵌入式應用帶來顯著優(yōu)勢。對于特別注重權衡功耗、性能和面積的微控制器（MCU）來說更是如此。
微控制器的演變
在過去幾十年里，MCU已經(jīng)從簡單的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展成為復雜的互聯(lián)設備。上世紀90年代末，模數(shù)轉換器（ADC）、計時器和UART逐漸集成到單個芯片上，MCU的性能和能效得到了顯著提升。在2010年代，MCU將Wi-Fi、藍牙和Zigbee等無線連接技術以及安全模塊集成到硬件中，推動了物聯(lián)網(wǎng)熱潮。供應商現(xiàn)在提供通用CPU的DSP增強版本，可在現(xiàn)場進行編程。圖1為矢量處理的融合進程。矢量處理漸漸從用于超級計算機演變?yōu)榧傻組CU中，能夠高效執(zhí)行控制導向型任務。
圖1：結合通用功能與SIMD/DSP功能的微控制器的演變過程
矢量處理器設計用于處理一維數(shù)組，其中包括單指令、多數(shù)據(jù)（SIMD）。應用處理器中常見的SIMD擴展包括英特爾的MMX、SSE和AVX、Arm的Neon和摩托羅拉-飛思卡爾的Altivec for PowerPC。這種通用+SIMD/DSP混合架構也擴展到MCU領域。
相比于同時執(zhí)行不同計算的并發(fā)工作負載，SIMD針對不同的數(shù)據(jù)同時執(zhí)行完全一樣的指令。常見的例子包括調(diào)整數(shù)字圖像的對比度或數(shù)字音頻的音量。基本架構包括一個單獨的標量寄存器文件（整數(shù)和/或浮點數(shù)）和一個矢量寄存器文件。通常，矢量內(nèi)的SIMD最小元素寬度為8位。因此，64位矢量寄存器可以提供各種可編程選項：1x64位、2x32位、8x8位和4x16位。這種靈活性使開發(fā)者能夠根據(jù)應用情況，以最小的字寬選擇所需的精度水平。
最近，MCU集成或應用了越來越多的先進數(shù)據(jù)技術，例如SIMD指令和AI/ML矢量化操作，為神經(jīng)網(wǎng)絡提供支持。在這些情況下，單個MCU負責傳感器數(shù)據(jù)的前端數(shù)字信號處理，例如過濾和傳感器融合，同時其后端可以運行AI/ML模型來支持語音觸發(fā)、對象檢測和其他低功耗AIoT應用。例如，新思科技ARC? EMxD處理器結合了高效的DSP和AI/ML處理，可降低功耗、簡化設計、復用軟件并節(jié)省系統(tǒng)成本。
MCU是第一類采用RISC-V的處理器，對RISC-V在汽車和消費市場中的增長起到了關鍵的推動作用。MCU大大受益于RISC-V的模塊化和簡單設計，可以在成本敏感、低功耗且多樣化的嵌入式應用中實現(xiàn)更高的效率和靈活性。
RISC-V和開放標準模型的興起
RISC-V開放指令集架構（ISA）為全球圍繞開源軟硬件開發(fā)而展開的密切合作指明了加速技術進步的方向。與可免費獲取實際代碼的“開源”軟件不同，RISC-V是一個開放的規(guī)范，社區(qū)可以參與討論并為規(guī)范的更新做出貢獻。
RISC-V處理器的核心優(yōu)勢包括一系列設計屬性，有助于實現(xiàn)處理器設計可配置性、可擴展性和軟件兼容性，形成了一個豐富的生態(tài)系統(tǒng)。
RISC-V生態(tài)系統(tǒng)目前有4300多名成員，涉及物理硬件、IP、片上系統(tǒng)（SoC）、開發(fā)板、從工具鏈到操作系統(tǒng)的完整軟件堆棧、工具供應商、調(diào)試供應商、仿真器和模擬器、驗證服務和教育材料等領域。目前市場上的RISC-V內(nèi)核數(shù)量超過100億，全球有數(shù)萬到數(shù)十萬的開發(fā)者正在從事RISC-V相關工作。
RISC-V矢量規(guī)范為微控制器帶來的矢量處理優(yōu)勢
RISC-V矢量規(guī)范版本1.0（RVV 1.0）是經(jīng)批準對RISC-V ISA進行的矢量處理擴展。矢量處理通過并行處理來提高性能。常見的處理類型包括圖像和音頻信號處理、渲染圖形、動畫和游戲物理、數(shù)據(jù)壓縮和加密（如加密操作）以及用于推理、特征提取和數(shù)據(jù)預處理等任務的邊緣機器學習。
RVV 1.0將高效的控制面與高性能的數(shù)據(jù)平面相結合，在設計時充分考慮了軟件開發(fā)的需求。其可調(diào)矢量長度范圍從32位到2048位不等，開發(fā)者可根據(jù)具體性能要求動態(tài)配置其設計。此外，開發(fā)者可以利用RVV的內(nèi)置效率和性能增強功能（如矢量鏈式操作）來進一步改進設計。應用軟件開發(fā)者可以編寫與矢量長度無關的代碼，而不用管硬件的實際矢量長度，從而充分實現(xiàn)軟件復用。RVV的簡化設計側重于優(yōu)化代碼大小，而非內(nèi)存利用率。例如，每個矢量都使用由矢量長度定義的相同數(shù)量的元素，無論這些元素是否全部被使用。這種方法可以減少執(zhí)行代碼時所需的指令，從而也提高了電源效率。此外，受益于豐富的軟件開發(fā)環(huán)境，RVV還使其他開源工具鏈（如LLVM和GCC）能夠支持自動矢量化，進一步簡化了矢量處理應用的開發(fā)。
使用定制DSP指令增強RVV，實現(xiàn)高效信號處理
越來越多的SoC開發(fā)者傾向于選擇針對特定應用的可選定制擴展。盡管RVV已經(jīng)可以支持一些定點運算，但增加針對信號處理應用（如FFT、FIR和矩陣乘法）和多媒體處理應用（包括音頻、視頻和圖像處理）的DSP指令還能進一步優(yōu)化處理器的功耗、性能和面積（PPA）。
新思科技ARC-V? RMX-100D系列處理器（圖2）將RVV1.0標準與定制DSP指令相結合，為低功耗嵌入式應用創(chuàng)建高度優(yōu)化且經(jīng)濟實惠的解決方案，實現(xiàn)高效的信號處理。通過集成DSP和RVV功能，可以顯著改善周期數(shù)性能和能效。
圖2：新思科技ARC-V RMX-100D處理器IP框圖
圖3中的數(shù)據(jù)表明，信號處理中常用算法的周期數(shù)、性能和效率得到顯著改善，具體包括：矢量加法、矢量點積、矩陣乘法、快速傅里葉變換（FFT）和有限脈沖響應（FIR）。與僅限RVV的標準實現(xiàn)相比，結合RVV與DSP指令的新思科技ARC-V RMX-100D處理器可以實現(xiàn)更多增強功能。
圖3：使用RMX-100D處理器增加定制DSP指令時，速度與RVV相比有所提升
結論
RISC-V指令集架構（ISA）支持模塊化和可擴展的設計實現(xiàn)，為低功耗嵌入式應用提供了理想的基礎。通過使用DSP功能擴展RVV，基線RISC-V實現(xiàn)可顯著提高周期數(shù)性能和能效，同時保持向后兼容性并充分實現(xiàn)軟件復用，以滿足各種信號處理工作負載的需求。新思科技的ARC-V RMX-100D和RMX-500D系列處理器結合了RVV1.0與定制DSP指令，為需要高級信號處理的低功耗嵌入式應用提供高度優(yōu)化且經(jīng)濟實惠的解決方案。
(By Revi Ofir, Product Manager, ARC Processor IP, Synopsys)
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