انقلاب RISC-V؛ انویدیا سالانه ۱ میلیارد هسته متن‌باز عرضه می‌کند

در اجلاس سالانه RISC-V Summit که در سانتا کلارا برگزار شد، مدیران شرکت NVIDIA اعلام کردند که این غول نیمه‌رسانا سالانه بیش از یک میلیارد هسته پردازشی RISC-V را در محصولات مختلف خود از جمله به‌عنوان پردازنده‌های کمکی در واحدهای پردازش گرافیکی  (GPU) و کنترلرها به کار گرفته و عرضه می‌کند.

یکی دیگر از مهم‌ترین دستاوردهای این اجلاس، تصویب رسمی استاندارد و پروفایل RVA23 بود. این استاندارد جدید گامی حیاتی و رو به جلو برای اجرای روان و استاندارد سیستم‌عامل‌های سطح بالا مانند لینوکس و اندروید بر روی سخت‌افزارهای مبتنی بر معماری متن‌باز RISC-V به شمار می‌رود.

اهمیت فنی برای مهندسین سخت‌افزار و طراحی سیستم

درک اینکه چرا غولی مانند انویدیا تصمیم می‌گیرد میلیاردها هسته اختصاصی خود را کنار بگذارد و به سمت معماری متن‌باز برود، برای هر مهندس سخت‌افزاری الهام‌بخش است. در ادامه بررسی می‌کنیم که این تصمیم چه تحولات فنی و مهندسی در ساختار تراشه‌های مدرن ایجاد کرده است.

۱. در هر GPU انویدیا بین ۱۰ تا ۴۰ هسته RISC-V قرار دارد

انویدیا فاش کرد که تراشه‌های گرافیکی مدرن این شرکت تنها یک پردازنده مرکزی واحد نیستند؛ بلکه بسته به رده و ابعاد چیپ ( مانند تراشه‌های معماری Ada Lovelace و Blackwell)، بین ۱۰ تا ۴۰ میکروکنترلر تعبیه‌شده مبتنی بر RISC-V درون هر سیلیکون قرار گرفته است. مجموع این تراشه‌ها باعث شده انویدیا سالانه بین ۱ تا ۲ میلیارد هسته RISC-V به بازار عرضه کند.

۲. چرا انویدیا میکروکنترلر اختصاصی Falcon را بازنشسته کرد؟

انویدیا از سال ۲۰۰۵ از یک میکروکنترلر اختصاصی ۳۲ بیتی داخلی به نام Falcon در بیش از ۱۵ بخش مختلف چیپ استفاده می‌کرد (بیش از ۳ میلیارد واحد در طی یک دهه). دلایل جایگزینی Falcon با RISC-V عبارتند از:

• محدودیت آدرس‌دهی ۳۲ بیتی و ناتوانی در پشتیبانی از حافظه‌های ۶۴ بیتی مدرن.
• عدم پشتیبانی از حافظه کَش داده (Data Cache) و مقیاس‌پذیری پایین در کارهای سنگین.
• ناتوانی در اجرای سیستم‌عامل‌های سبک و بلادرنگ (RTOS).

۳. چرا انویدیا به سراغ ARM یا MIPS نرفت و هسته اختصاصی طراحی کرد؟

انویدیا هسته‌های تجاری ARM مانند (Cortex-A53 و Cortex-R5 و MIPS) را ارزیابی کرده بود، اما به دلیل محدودیت شدید مساحت سیلیکون Area Budget ( کمتر از ۰.۱ میلی‌مترمربع در لیتوگرافی ۱۶ نانومتر ) و نیاز به افزودن دستورالعمل‌های سفارشی، تصمیم گرفت میکروکنترلرهای اختصاصی بر پایه معماری باز RISC-V به نام NV-RISCV بسازد.

۴. انواع هسته‌های سفارشی انویدیا و وظایف آن‌ها در کارت گرافیک

انویدیا سه خانواده هسته اصلی از این معماری توسعه داده است:

• NV-RISCV32  : هسته‌های کم‌مصرف ۳۲ بیتی برای مدیریت توان، فرکانس، کلاک‌گیتینگ و حسگرهای حرارتی (PMU).
• NV-RISCV64 : هسته‌های پیشرفته ۶۴ بیتی Out-of-Order با پشتیبانی از چندپردازندگی (SMP) برای مدیریت درایور گرافیک و واحد امنیتی موسوم به (GSP  ) پردازنده سیستمی گرافیک.
• NV-RVV  : هسته ۳۲ بیتی مجهز به واحد محاسبات برداری ۱۰۲۴ بیتی برای شتاب‌دهنده‌های یادگیری عمیق (DLA).
• کدگشایی و فشرده‌سازی ویدیو (NVDEC و NVENC )و سوئیچ‌های زمینه (Context Switching) در کلاسترهای پردازشی گرافیک نیز توسط همین هسته‌ها مدیریت می‌شوند.

۵. زیرسیستم اختصاصی Peregrine

انویدیا برای استانداردسازی، ماژولی به نام Peregrineساخته است که هسته NV-RISCV را به همراه حافظه‌های بسیار سریع متصل به پردازنده (TCM)، کنترلر DMA و بلوک‌های رمزنگاری سخت‌افزاری بسته‌بندی می‌کند تا مهندسان طراح بتوانند به‌سادگی آن را در هر بخش از چیپ GPU تعبیه کنند.

کلام آخر

حضور گسترده هسته‌های RISC-V در قلب تراشه‌های انویدیا و جایگزینی کامل میکروکنترلرهای اختصاصی این شرکت با هسته‌های NV-RISCV، اثباتی روشن بر بلوغ صنعتی و انعطاف‌پذیری معماری متن‌باز است. تصویب پروفایل RVA23 نیز نشان می‌دهد که این اکوسیستم گام‌به‌گام در حال تکمیل زنجیره نرم‌افزاری و سخت‌افزاری خود برای رقابت مستقیم با معماری‌های باسابقه‌ای چون ARM و x86 است؛ تحولی که مهندسان الکترونیک و توسعه‌دهندگان سیستم‌های تعبیه‌شده باید با دقت روندهای آن را دنبال کنند.

منابع خبری: Phoronix / EE Times