Пересечение архитектуры Superscalar и аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом Risc-v

Неустанное стремление к более высокой производительности в вычислительной технике привело к постоянным инновациям в процессорной архитектуре. Две из самых преобразующих концепций в современном дизайне процессоров - это суперскалярное исполнение и архитектура набора инструкций с открытым исходным кодом RISC-V (ISA). В то время как суперскалярные методы сыграли важную роль в повышении производительности коммерческих процессоров на протяжении десятилетий, RISC-V демократизирует дизайн оборудования, делая спецификации ISA свободно доступными. Сочетание этих двух областей создает плодородную почву для разработки высокопроизводительных настраиваемых процессоров, которые доступны более широкому сообществу, от академических исследователей до лидеров отрасли.

Понимание суперскалярной архитектуры: двигатель современной производительности

Суперскалярная архитектура относится к способности процессора выдавать и выполнять несколько инструкций одновременно в течение одного тактового цикла. Это достигается путем включения нескольких функциональных блоков, таких как исполнительные блоки, блоки загрузки / хранения и блоки с плавающей запятой, и управления зависимостями инструкций для максимизации параллельной пропускной способности. В отличие от более простых скалярных процессоров, которые обрабатывают одну инструкцию за цикл, суперскалярные проекты используют параллелизм уровня инструкций (ILP) для ускорения приложений, не полагаясь исключительно на увеличение тактовой частоты.

Исторический контекст и эволюция

Концепция суперскалярного исполнения появилась в 1980-х годах, с ранними примерами, такими как Intel i960CA и IBM POWER1. Однако только в середине 1990-х годов суперскалярные процессоры стали мейнстримом, а процессоры Intel Pentium Pro и AMD K5 возглавили заряд. Эти конструкции реализовывали внепорядковое исполнение, где процессор динамически переупорядочен инструкции для поддержания функциональных блоков занятыми, даже когда зависимости заставляют останавливаться. Со временем суперскалярные процессоры выросли в сложности, с современными реализациями, способными выдавать до восьми или более инструкций за цикл в высокопроизводительных серверных чипах.

Ключевые компоненты суперскалярного дизайна

Эффективность суперскалярного проектирования сильно зависит от параллелизма уровня инструкций приложения и точности алгоритмов предсказания ветвей.Сложные схемы переименования регистров, буферы переупорядочения и логика выдачи представляют значительные проблемы проектирования, особенно с точки зрения энергопотребления и площади.

Superscalar vs. VLIW и SIMD

Суперскалярные процессоры динамически задают инструкции по расписанию во время выполнения, что добавляет аппаратную сложность, но предлагает совместимость с существующими двоичными файлами. Напротив, архитектуры Very Long Instruction Word (VLIW) полагаются на компилятор для статического планирования параллелизма, уменьшая накладные расходы на аппаратное обеспечение, но часто жертвуя плотностью кода и требуя перекомпиляции. SIMD (Single Instruction, Multiple Data) обеспечивает параллелизм на уровне данных, выполняя одну и ту же операцию на нескольких элементах данных, часто в качестве расширения суперскалярных ядер. Современные процессоры объединяют все три метода - суперскаляр, SIMD и вне порядка выполнения - для максимизации производительности в различных рабочих нагрузках.

Открытый исходный код RISC-V: смена парадигмы

RISC-V - это открытая и бесплатная архитектура набора инструкций, разработанная в Калифорнийском университете в Беркли в 2010 году. В отличие от проприетарных ISA, таких как x86 и ARM, RISC-V выпущен под разрешительными лицензиями с открытым исходным кодом, которые позволяют любому проектировать, производить и модифицировать процессоры без лицензионных сборов. Эта открытость вызвала глобальное движение как в академических кругах, так и в промышленности, с сотнями реализаций, начиная от простых микроконтроллеров до передовых многоядерных процессоров.

Основные характеристики RISC-V

Почему RISC-V имеет значение для сверхскалярного дизайна

Исторически реализация суперскалярного процессора требовала огромных инвестиций в проприетарную ИС, делая её недоступной для всех, кроме крупнейших полупроводниковых компаний. RISC-V меняет это уравнение, предоставляя бесплатную, изменяемую базу. Исследователи могут свободно экспериментировать с новыми суперскалярными микроархитектурами, настраивая всё от предикторов ветвей до ширины выпуска, без юридических или финансовых барьеров. Эта свобода ускоряет инновации и сокращает время от концепции до кремния.

Сближение: сверхскалярные процессоры RISC-V

Сочетание суперскалярного исполнения с RISC-V ISA открывает двери для высокопроизводительных настраиваемых процессоров, которые могут быть нацелены на широкий спектр приложений. Открытый характер RISC-V позволяет дизайнерам адаптировать суперскалярные функции, такие как ширина проблемы, глубина трубопровода и функциональное сочетание блоков, к конкретным требованиям производительности и мощности.

Технические проблемы в слиянии суперскалярных и RISC-V

Проектирование сверхскалярного ядра RISC-V не тривиально. Простота ISA помогает, но сверхскалярная логика вносит значительную сложность:

Реализация Superscalar RISC-V

BOOM (Berkeley Out-of-Order Machine)

Разработанный Калифорнийским университетом в Беркли, BOOM представляет собой высоконастраиваемое, нестандартное суперскалярное ядро RISC-V, написанное в Chisel. Он реализует классический суперскалярный конвейер с несколькими функциональными блоками, переименованием физических регистров и буфером переупорядочения. BOOM может быть сконфигурирован с шириной выпуска от 2 до 4 инструкций за цикл и используется в исследованиях для изучения энергоэффективных внеупорядоченных конструкций. Это одно из немногих ядер с открытым исходным кодом, которое достигает производительности, сопоставимой с основными встроенными процессорами, такими как серия ARM Cortex-A.

CVA6 (ранее Ariane)

CVA6 - это 64-битный процессор приложений с открытым исходным кодом RISC-V, который поддерживает суперскалярный конвейер с двумя проблемами. Хотя он не реализует вне порядка выполнение, его дизайн с двумя проблемами улучшает пропускную способность, получая и выполняя до двух команд за цикл, когда позволяют зависимости. CVA6 был успешно подключен к нескольким SoC и является популярным выбором для Linux-совместимых систем RISC-V.

Другие в Академии и промышленности

Несколько исследовательских групп и стартапов разработали свои собственные суперскалярные ядра RISC-V. Например, вариант SonicBOOM добавляет расширенное предсказание ветвей и большие буферы переупорядочения. Такие компании, как SiFive и Esperanto Technologies, включают суперскалярные элементы в свои высокопроизводительные процессоры RISC-V, хотя коммерческие реализации часто остаются проприетарными.

Преимущества комбинирования суперскалярных и RISC-V

Синергия между этими двумя концепциями дает значительные преимущества, которые способствуют внедрению как в исследования, так и в разработку продуктов.

Эффективность затрат и снижение барьеров для входа

Традиционные проприетарные ISA требуют дорогостоящих лицензий на инструменты разработки и внедрения ядер. RISC-V устраняет эти затраты, позволяя стартапам, университетам и даже любителям разрабатывать и снимать на ленту суперскалярные чипы. Наличие кода RTL с открытым исходным кодом (уровень регистрации передачи) для ядер, таких как BOOM, означает, что группа с доступом к стандартным инструментам EDA может немедленно начать экспериментировать с суперскалярными методами.

Оптимизация хладнокровной работы

Расширяемость RISC-V позволяет дизайнерам добавлять пользовательские инструкции или изменять микроархитектуру для ускорения конкретных рабочих нагрузок. Например, суперскалярное ядро RISC-V для машинного обучения может включать в себя специализированные векторные блоки или ускорители умножения матриц, в то время как ядро для сетей может подчеркивать предсказание ветвей для кода с большой мощностью управления. Этот уровень настройки практически невозможен с фиксированными запатентованными ISA.

Образовательные и исследовательские возможности

С RISC-V студенты могут изучать, модифицировать и даже записывать реальный суперскалярный процессор. Этот практический опыт неоценим для обучения следующего поколения компьютерных архитекторов. Академические статьи, изучающие новые внештатные графики, маломощные переименования или прогностические методы, могут быть проверены на аппаратном обеспечении с открытым исходным кодом, ускоряя перевод исследований на практику.

Сотрудничество и открытая экосистема

Природа RISC-V с открытым исходным кодом поощряет совместную разработку. Несколько организаций могут способствовать совместному суперскалярному ядру, улучшая его производительность, уменьшая ошибки и расширяя его набор функций. Общие пакеты проверки и стандартизированные расширения способствуют совместимости, позволяя разработчикам смешивать и сопоставлять ядра из разных источников.

Проблемы и текущие исследования

Несмотря на многообещающие перспективы, остаются значительные препятствия для создания суперскалярных процессоров RISC-V.

Энергоэффективность и энергоэффективность

Внерядовая суперскалярная логика по своей сути энергоемка из-за сложных структур, таких как буфер переупорядочения, карта переименования регистра и логика пробуждения / выбора. Для встроенных и мобильных приложений ограничения мощности могут способствовать более простым сверхскалярным или одноуровневым конструкциям. Продолжаются исследования энергоэффективных микроархитектур, таких как доменные специфические неупорядоченные или «слегка суперскалярные» ядра.

Усилия по проектированию и проверке

Даже с открытым исходным кодом RTL проверка суперскалярного процессора является масштабным мероприятием. Формальная проверка неупорядоченных трубопроводов остается активной областью исследований. Сообщество создает общие рамки проверки (например, RISCV-DV, тесты на пытки), но охват еще не является всеобъемлющим. Проверка коммерческого уровня по-прежнему требует значительных ресурсов.

Зрелость экосистемы

В то время как поддержка программного обеспечения RISC-V растет, она отстает от x86 и ARM. Компиляторы и операционные системы могут не полностью использовать суперскалярные возможности пользовательского ядра. Например, компиляторы должны быть настроены на инструкции по эффективному расписанию для конкретной ширины трубопровода и функциональной конфигурации блока. Экосистема быстро улучшается, но корпоративные клиенты могут колебаться, пока поддержка не станет надежной.

Конкурировать с уже созданными архитектурами

Современные процессоры x86 и ARM имеют десятилетия оптимизации и миллиарды долларов инвестиций. Суперскалярное ядро RISC-V первого поколения из академической группы не может соответствовать однопоточной производительности Apple M3 или Intel Core i9. Однако разрыв сужается для производительности среднего уровня, а гибкость RISC-V может обеспечить преимущества в специализированных областях, где использование пользовательских ускорителей перевешивает необработанную скалярную производительность.

Будущие перспективы: где Superscalar встречается с открытым исходным кодом

Сочетание суперскалярной архитектуры и RISC-V способно стимулировать инновации в различных вычислительных областях.

Высокопроизводительные вычисления (HPC)

Векторное расширение RISC-V (RVV) в сочетании с суперскалярным исполнением может обеспечить конкурентоспособные процессоры HPC. Такие проекты, как Европейская инициатива по процессорам, изучают RISC-V для экзафлопсных вычислений. Сверхскалярные ядра с открытым исходным кодом могут быть настроены для научных рабочих нагрузок, интегрируя широкие SIMD-блоки и эффективное движение данных.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Многие ускорители ИИ полагаются на пользовательские микроархитектуры. Суперскалярное ядро RISC-V может служить гибким процессором управления в рамках более крупного ускорителя ML, обработки планирования, предварительной обработки данных и обработки исключений, в то время как выделенные тензорные блоки выполняют объемные вычисления. Возможность расширения ISA с помощью пользовательских матричных операций делает эту комбинацию особенно привлекательной.

Край и встроенные системы

Даже встраиваемые системы с низким энергопотреблением получают выгоду от скромной суперскалярной способности. Ядро с двумя выпусками в порядке может обеспечить значительный прирост производительности по сравнению с скалярным дизайном с одним выпуском без штрафа за мощность полной внепорядковой логики. Модульность RISC-V означает, что производители могут создать семейство ядер - от простых микроконтроллеров до сложных суперскалярных процессоров - из той же базовой архитектуры, облегчая миграцию программного обеспечения.

Революция аппаратного обеспечения Open Source

По мере развития экосистемы мы можем наблюдать появление суперскалярных чипов RISC-V, управляемых сообществом, подобно тому, как проекты программного обеспечения с открытым исходным кодом, такие как Linux, трансформировали программный стек. Уже сейчас фонд RISC-V International поддерживает рабочие группы, ориентированные на высокопроизводительные процессоры. Суперскалярные ядра с открытым исходным кодом первого поколения уже используются в исследованиях и ранних коммерческих продуктах. Для дальнейшего чтения о проблемах внепорядкового дизайна см. этот обзор IEEE по суперскалярным реализациям и обзор архитектуры SonicBOOM.

Заключение

Стык суперскалярной архитектуры и аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом RISC-V знаменует собой новую главу в дизайне процессора. Объединив преимущества производительности многократного выполнения инструкций за цикл со свободой и гибкостью открытого ISA, инженеры и исследователи могут создать высокоэффективные, настраиваемые процессоры, которые ранее были недоступны. В то время как проблемы в мощности, проверке и зрелости экосистемы остаются, быстрые темпы инноваций в сообществе RISC-V предполагают, что эти препятствия будут преодолены. Результатом будет демократизированный ландшафт высокопроизводительных вычислений, где любой - от университетской лаборатории до стартапа - может построить процессор, адаптированный точно к их потребностям. Будущее аппаратного обеспечения открыто, и оно все более и более суперскалярно.