Observación de tendencias: conjunto de instrucciones reducido de quinta generación RISC
Noticias del Portal de Desarrollo de China Net/China RISC-V, el conjunto de instrucciones reducido de quinta generación, es una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) de código abierto basada en el principio de computadora con conjunto de instrucciones reducido (RISC), desarrollado por Estados Unidos Diseñado en 2010 por un equipo de investigación de la Universidad de California, Berkeley. En comparación con el cierre completo del conjunto de instrucciones X86 y las altas tarifas de licencia del conjunto de instrucciones ARM, el conjunto de instrucciones RISC-V proporciona libertad de software y hardware al admitir una arquitectura de conjunto de instrucciones abierta y gratuita y extensiones de arquitectura. Las principales ventajas de RISC-V son código completamente abierto, arquitectura simple, fácil portabilidad, diseño modular y cadena de herramientas completa.
Los chips de procesador son la debilidad de la industria de semiconductores de China y el problema del “cuello atascado” que enfrenta la industria de semiconductores de China. En los últimos años, tanto la academia como la industria en el campo de los chips nacionales han estado explorando activamente prácticas y esforzándose por lograr avances. Las cuatro barreras técnicas de China en el campo de la investigación y el desarrollo de chips son las máquinas de fotolitografía, el software de automatización de diseño electrónico (EDA), las obleas y los conjuntos de instrucciones. Se puede ver que la arquitectura del conjunto de instrucciones RISC-V de código abierto es de gran importancia para el avance tecnológico de mi país en los conjuntos de instrucciones de chips. Se espera que mi país se deshaga del monopolio extranjero de conjuntos de instrucción y rompa el bloqueo tecnológico a través de RISC-V.
RISC-V ha logrado un rápido desarrollo desde su nacimiento. Con el auge de tecnologías como el Internet de las cosas, las comunicaciones 5G y la inteligencia artificial, el Internet de las cosas y los dispositivos integrados se han convertido en los primeros y más grandes. campos para que se implemente RISC-V en el mercado de aplicaciones. Instituciones de investigación y empresas de varios países se han unido a las filas de la investigación y el desarrollo. RISC-V no solo rompe el monopolio de la empresa británica ARM y la empresa estadounidense Intel en el entorno de arquitectura de conjunto de instrucciones actual, sino que también establece un ecosistema y un marco abiertos. para promover la colaboración y la innovación globales.
Principales iniciativas y características estratégicas nacionales
Estados Unidos destaca la aplicación estratégica del conjunto de instrucciones RISC-V en el campo de los chips de equipos inteligentes. En junio de 2017, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA) lanzó la "Iniciativa de Resurgimiento de la Electrónica" (Iniciativa de Resurgimiento de la Electrónica), cuyo objetivo es resolver los cuellos de botella de los procesos de fabricación de semiconductores para enfrentar los desafíos del rápido desarrollo de la industria de los semiconductores. El "Plan de Renacimiento de la Electrónica" ha brindado apoyo especial para la investigación y la aplicación industrial del conjunto de instrucciones RISC-V durante muchos años. Entre ellos, el proyecto para lograr circuitos integrados más rápidos, el proyecto de hardware de código abierto Posh y el proyecto de diseño inteligente de activos electrónicos indican claramente la necesidad de un desarrollo basado en el conjunto de instrucciones RISC-V. En marzo de 2021, SciFive y DARPA llegaron a un acuerdo de licencia abierta. SciFive se unió a la "Iniciativa DARPA Toolbox" para proporcionar acceso al kernel de 32 y 64 bits basado en RISC-V a los participantes del proyecto DARPA para respaldar la investigación y el desarrollo de aplicaciones de DARPA. Aplicaciones integradas en proyectos.
La Unión Europea se centra en la combinación de RISC-V y la informática de alto rendimiento. En diciembre de 2018, la Unión Europea lanzó la "Iniciativa Europea de Procesadores" para desarrollar microprocesadores independientes de bajo consumo controlables para el mercado europeo y reducir la dependencia de la industria europea de supercomputación de empresas de tecnología extranjeras. Entre ellos, el proyecto "Acelerador de procesadores europeo" es una parte importante del plan. Su núcleo es el uso de la arquitectura de conjunto de instrucciones RISC-V, gratuita y de código abierto, para el desarrollo y producción de chips de alto rendimiento en Europa. En septiembre de 2021, el último resultado del proyecto fue la entrega de 143 muestras de chips aceleradores de procesadores europeos diseñados para aplicaciones de informática de alto rendimiento (HPC).
Además, el proyecto Euro HPC eProcessor, que comenzó en enero de 2021, tiene como objetivo construir un ecosistema europeo de código abierto y completo basado en la arquitectura del conjunto de instrucciones RISC-V para HPC y aplicaciones integradas.
India posiciona el conjunto de instrucciones RISC-V como el conjunto de instrucciones nacional de facto. En 2011, India comenzó a implementar el plan estratégico de procesadores y financia entre 2 y 3 proyectos de investigación de procesadores cada año. El proyecto de procesador SHAKTI bajo este plan tiene como objetivo desarrollar el primer procesador indio de grado industrial. Su objetivo es desarrollar 6 núcleos de procesador de código abierto basados en el conjunto de instrucciones RISC-V, incluidos microcontroladores de un solo núcleo de 32 bits, 64 núcleos; Procesadores de alto rendimiento y procesadores de seguridad de -bit, etc. En enero de 2016, el Ministerio de Electrónica y Tecnología de la Información de la India financió 45 millones de dólares para desarrollar un procesador de cuatro núcleos a 2 GHz basado en el conjunto de instrucciones RISC-V. En 2017, el gobierno indio dijo que financiaría en gran medida proyectos de procesadores basados en RISC-V, lo que convertiría a RISC-V en el conjunto de instrucciones nacional de facto de la India. En agosto de 2020, el gobierno indio lanzó el proyecto "Microprocessor Challenge" a nivel nacional para promover la investigación y el desarrollo independientes de microprocesadores RISC-V y mejorar las capacidades de diseño y fabricación de semiconductores del país.
Israel, Pakistán y Rusia buscan el desarrollo común de arquitecturas de conjuntos de instrucciones diversificadas. En 2017, la Autoridad Nacional de Innovación de Israel creó el grupo de trabajo GenPro para desarrollar una plataforma de procesamiento rápida, eficiente e independiente basada en RISC-V. En 2019, el gobierno paquistaní anunció que RISC-V figuraría como una "arquitectura preferida" nacional. En 2021, Rusia anunció un plan de digitalización nacional centrado en componentes RISC-V, que se basa en el chip Elbrus de desarrollo propio de Rusia para llevar a cabo investigaciones de expansión de componentes RISC-V.
China está intentando romper el bloqueo tecnológico en el campo de los chips a través de RISC-V. En 2021, en el "14º Plan Quinquenal para el Desarrollo Económico y Social Nacional de la República Popular China y el esquema de objetivos a largo plazo para 2035", mi país incluyó claramente el "código abierto" en el plan quinquenal de desarrollo. planificar por primera vez Durante el período "Cinco", apoyaremos el desarrollo de consorcios innovadores como comunidades de código abierto de tecnología digital, mejoraremos la propiedad intelectual y los sistemas legales de código abierto y alentaremos a las empresas a abrir el código fuente de software y el diseño de hardware; y servicios de aplicaciones. Al mismo tiempo, los gobiernos de todos los niveles también están implementando activamente chips de arquitectura RISC-V. En julio de 2018, la Comisión Municipal de Tecnología de la Información y Economía de Shanghai emitió la "Comisión Municipal de Tecnología de la Información y Economía de Shanghai sobre el lanzamiento del segundo lote de fondos especiales para el desarrollo de la industria de circuitos integrados y software de Shanghai (campo de fabricación de circuitos integrados y de información electrónica) en El "Aviso" de 2018 enumera las industrias relacionadas con RISC-V como objetivos de apoyo de la industria gubernamental, y las empresas involucradas en el diseño y desarrollo relacionados con la arquitectura RISC-V recibirán preferencias políticas. En febrero de 2020, el "Aviso sobre varias opiniones sobre la aceleración del desarrollo de la industria de semiconductores y circuitos integrados" emitido por la Oficina General del Gobierno Popular Provincial de Guangdong enumeró claramente el diseño de chips RISC-V como una dirección de desarrollo clave en la provincia de Guangdong. En noviembre de 2021, el Comité Municipal del Partido y el Gobierno Municipal de Beijing emitieron el "Plan de Construcción del Centro Internacional de Innovación Científica y Tecnológica de Beijing durante el período del" 14º Plan Quinquenal "", que señalaba claramente que es necesario desarrollar un chip de aceleración dedicado. para blockchain basado en RISC-V para mejorar aún más la integración de chips y mejorar el rendimiento del algoritmo blockchain a gran escala.
Direcciones de investigación importantes y puntos calientes en el campo de los chips de arquitectura RISC-V en mi país.
La academia y la industria están prestando cada vez más atención al diseño y verificación de la arquitectura de seguridad RISC-V. . La seguridad del procesador es crucial para la protección de la información de privacidad del dispositivo; el diseño de procesadores seguros RISC-V y la verificación de seguridad son puntos críticos de investigación en el campo RISC-V e incluso en el campo de la arquitectura.
El modo privilegiado y la protección de la memoria física son características esenciales para los procesadores integrados seguros. La arquitectura del conjunto de instrucciones RISC-V también utiliza el modo privilegiado para garantizar la seguridad del procesador; al mismo tiempo, la arquitectura proporciona una unidad de protección de la memoria física (PMP). implementar el control de acceso a la memoria para garantizar la seguridad de la memoria. Entre ellos, la Universidad de Ciencia y Tecnología de la Información de Beijing y el Instituto de Microelectrónica de la Universidad de Tsinghua, Jiao Pengyuan, y otros tomaron como objeto de investigación un procesador seguro RISC-V de 32 bits, observaron el estado del procesador y la información anormal a través del programa de manejo de excepciones y propusieron un un conjunto de planes de prueba de función de protección de memoria física y modo privilegiado RISC-V, Liu Qiang y otros de la Escuela de Microelectrónica de la Universidad de Tianjin diseñaron un método de implementación del procesador RISC-V que es resistente a los ataques de análisis de consumo de energía desarrollado por el Instituto de; Sistemas paralelos y distribuidos de la Universidad Jiao Tong de Shanghai Se ha lanzado un nuevo entorno de ejecución confiable "Penglai" basado en la arquitectura RISC-V. Al mismo tiempo, muchas empresas de la industria han lanzado soluciones de seguridad ampliando los módulos IP de hardware, incluidas bibliotecas de cifrado, raíces de confianza, bibliotecas de seguridad, etc.
Profundamente comprometidos con campos emergentes como el Internet de las cosas, los chips RISC-V dedicados a campos específicos están en auge. Actualmente, los dos conjuntos de instrucciones principales, X86 y ARM, dominan las computadoras personales (PC) de servidor y los dispositivos móviles integrados, respectivamente, y al mismo tiempo están proporcionando campos de aplicación como Internet de las cosas (IoT) e Internet de la inteligencia (AIoT); Nuevas oportunidades para el desarrollo de RISC-V. La arquitectura RISC-V puede aportar importantes ventajas de flexibilidad y costos a la industria de IoT y también puede promover el rápido desarrollo de sistemas informáticos heterogéneos. Por lo tanto, puede adaptarse a los billones de interconexiones de dispositivos de gran capacidad en la era de IoT inteligente. Escenarios ricos y Fragmentación y necesidades diversas. En el campo de los aceleradores y procesadores especiales, las principales aplicaciones de RISC-V incluyen el diseño de chips aeroespaciales para naves espaciales, chips inteligentes para Internet de las cosas, chips orientados a la seguridad, controladores de gestión de placas base en servidores y unidades de procesamiento de gráficos (GPU) y el controlador dentro del disco duro, etc. La academia, como el equipo de computación ubicua del Instituto de Tecnología Informática de la Academia de Ciencias de China (en lo sucesivo, el "Instituto de Computación"), ha llevado a cabo investigaciones sobre procesadores de redes neuronales livianos basados en núcleos RISC-V y ha explorado el aplicación de núcleos RISC-V en Internet de las cosas Aplicación en equipos; el Laboratorio clave de servicios de localización y navegación de Shanghai Beidou ha lanzado un proyecto de investigación de expansión del procesador de banda base basado en el conjunto de instrucciones RISC-V. En la industria, han surgido una gran cantidad de productos y casos de aplicación basados en RISC-V en el campo del control y el Internet de las cosas. Por ejemplo, los procesadores de la serie Xuantie RISC-V de código abierto de Alibaba Pingtouge Semiconductor Co., Ltd. se han utilizado en microcontroladores, control industrial, electrodomésticos inteligentes, redes inteligentes, procesamiento de imágenes, inteligencia artificial, multimedia y electrónica automotriz.
Buscan abrirse paso en el ecosistema del Internet de las Cosas y explorar el campo de los servidores y procesadores de alto rendimiento. En la actualidad, los campos de investigación y aplicación de RISC-V se centran principalmente en el control industrial, las redes inteligentes y otros escenarios basados en Internet de las cosas. Sin embargo, RISC-V tiene el potencial de ingresar a los campos de servidores y de alto rendimiento debido a su bajo consumo de energía y bajo costo. La mayor demanda de aceleradores y plataformas heterogéneas para la personalización de servidores y HPC brinda oportunidades para que RISC-V ingrese a los campos de servidores y HPC. Bao Yungang, del Instituto de Tecnología Informática, propuso que la industria pueda utilizar el método Chiplet de AMD para colocar la unidad central de procesamiento (CPU), el acelerador y la entrada/salida (E/S) en diferentes obleas, y que la parte de la CPU utilice RISC-V. arquitectura, utilizando chiplets para formar un chip de servidor para ingresar al mercado de servidores. En junio de 2021, el equipo Bao Yungang del Instituto de Tecnología Informática lanzó el núcleo del procesador RISC-V de alto rendimiento y código abierto "Xiangshan". Su primera versión de la arquitectura tiene el nombre en código "Yanqi Lake" y se basa en el proceso de cinta de 28 nm. Esto marca el nacimiento oficial del proyecto de código abierto del procesador RISC-V de alto rendimiento iniciado en China con el soporte técnico del Instituto de Tecnología Informática y el Laboratorio Pengcheng.
Problemas y sugerencias para el desarrollo de chips de arquitectura RISC-V en mi país
Centrarse adecuadamente en la arquitectura RISC-V y acelerar el desarrollo del sistema de la industria de chips de China. En la actualidad, los conjuntos de instrucciones utilizados por la industria nacional de procesadores y los campos de investigación científica lo abarcan todo, y la academia y la industria se han expandido en función de varios conjuntos de instrucciones como ARM, MIPS, PowerPC, SPARC, RISC-V y X86. Sin embargo, los conjuntos de instrucciones diversificados inevitablemente distraerán los esfuerzos de desarrollo de software básico, lo que hará que los desarrolladores de software básico, como compiladores y sistemas operativos, no puedan tener en cuenta la optimización de múltiples conjuntos de instrucciones debido a la energía limitada, lo que retrasará la construcción de un ecosistema independiente. En los últimos años, a medida que la Fundación RISC-V se mudó de los Estados Unidos a Suiza, su estructura de gobernanza ha experimentado cambios importantes. La proporción de miembros de alto nivel de las instituciones y empresas de investigación científica de mi país en el Consejo de la Fundación RISC-V ha aumentado. de modo significativo. La creciente influencia de mi país en el ecosistema RISC-V brinda nuevas oportunidades para el desarrollo de la industria de chips de mi país y la posibilidad de desarrollar nuevas pistas. Recomendación: Dado que mi país actualmente no tiene una arquitectura de conjunto de instrucciones independiente madura, debería aprovechar la oportunidad del surgimiento de la arquitectura RISC-V de código abierto, ajustar la ruta tecnológica y las políticas industriales en el campo de los chips, centrarse adecuadamente en RISC. -V arquitectura y acelerar el desarrollo del sistema de la industria de chips de China.
Promover la aplicación de RISC-V en el campo de la educación sobre procesadores y cultivar talentos en el diseño de chips. El umbral de innovación y la inversión en el campo de los chips son altos, lo que obstaculiza seriamente la investigación innovadora en este campo. Muchos aspectos del diseño y fabricación de chips requieren enormes cantidades de inversión de capital y mano de obra. Este alto umbral ha provocado reservas de talento insuficientes. Por lo tanto, cómo reducir el umbral del diseño de chips se ha convertido en un problema urgente que debe resolverse. La naturaleza de código abierto de RISC-V reduce el umbral para la inversión en innovación, y el desarrollo de chips/hardware de código abierto se ha convertido en un nuevo modelo de desarrollo para cultivar talentos de diseño en China. En agosto de 2019, la Academia de Ciencias de la Universidad de China lanzó el programa "One Core for Life", cuyo objetivo es cultivar talentos de diseño de chips de procesador con sólida experiencia teórica y práctica al permitir a los estudiantes universitarios diseñar chips de procesador y completar el proceso de grabación. Este es el primer programa educativo en China centrado en la grabación en cinta. Cinco estudiantes universitarios de 2016 lideraron el diseño y la implementación de un chip SoC con procesador RISC-V de 64 bits. De hecho, los estudiantes son una fuerza indispensable en la construcción de todo el ecosistema RISC-V. Muchas instituciones nacionales, incluida la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, están cultivando talentos junto con las empresas, vinculando el diseño de cursos con la I+D empresarial e integrando las últimas empresas; La tecnología se introduce en el aula de manera oportuna para aprovechar al máximo las ventajas del código abierto. Recomendación: Las agencias nacionales de gestión educativa deberían promover activamente el modelo de desarrollo industria-universidad RISC-V y cultivar más talentos en el diseño de chips.
(Aportado por "Actas de la Academia China de Ciencias")