一顆萬能的RISC-V芯片: 將CPU和GPU整合到一個核中

X-Silicon Inc. (XSi) 創(chuàng)建了一種新的 RISC-V 微處理芯片架構(gòu)，將 RISC-V CPU 內(nèi)核與矢量功能和 GPU 加速結(jié)合到單個芯片中。Jon Peddie Research 報告稱， CPU/GPU 混合芯片是開源的，它旨在處理各種不同的功能，包括通常由專用 CPU 和 GPU 處理的人工智能。問題是它應(yīng)該以更有效的方式完成這一切。

新的 CPU/GPU 混合處理器被設(shè)計為“萬能”處理器。據(jù) JPR 稱，業(yè)界一直在尋求一種開放標準的 GPU，其靈活性和可擴展性足以支持各種市場，包括虛擬現(xiàn)實、汽車和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這款新的 RISC-V CPU/GPU 旨在通過為制造商提供可以處理任何所需工作負載的單一開放芯片設(shè)計來解決這個問題。

X-Silicon 的芯片與其他架構(gòu)不同，其設(shè)計將 CPU 和 GPU 的功能結(jié)合到單核架構(gòu)中。這與 Intel 和 AMD 的典型設(shè)計不同，后者有獨立的 CPU 核心和 GPU 核心。相反，核心本身被設(shè)計用來處理 CPU 和 GPU 任務(wù)。從這個意義上說，這聽起來有點像英特爾放棄的 Larabee 項目，該項目試圖使用 x86 來處理圖形和其他工作負載。

該芯片采用X-Silicon 的 C-GPU 架構(gòu)，將 GPU 加速合并到 RISC-V 矢量 CPU 核心中。該架構(gòu)具有帶有 32 位 FPU 和定標器 ALU 的 RISC-V 矢量核心。它具有線程調(diào)度程序、剪輯引擎、光柵化器、紋理單元、神經(jīng)引擎和像素處理器。該芯片旨在處理包括人工智能、高性能計算（HPC）、幾何計算以及2D和3D圖形在內(nèi)的應(yīng)用。

理論上，X-Silicon的混合芯片能夠在同一內(nèi)核中處理CPU和GPU代碼，這為其帶來了許多優(yōu)勢。該芯片采用開源RISC-V ISA作為CPU和GPU，運行單指令流。這提供了低內(nèi)存占用執(zhí)行和更高的效率，因為在 CPU 內(nèi)存空間和 GPU 內(nèi)存空間之間無需復(fù)制數(shù)據(jù)。

CPU/GPU 內(nèi)核可以組合在一起形成多核設(shè)計，使制造商能夠根據(jù)需要擴展處理能力。在多核格式中，多個核心平鋪在一個芯片上，并使用快速結(jié)構(gòu)進行連接。此設(shè)計中還實現(xiàn)了快速片上 SRAM 或 eDRAM 緩存，這些緩存用作可以聚合來自多個內(nèi)核的數(shù)據(jù)的 L2 緩存。每個核心都可以根據(jù)需要安排獨立于其他核心運行圖形、AI、視頻、物理、HPC 或其他工作負載。

通過這種設(shè)計，X-Silicon 的 C-GPU 架構(gòu)可以運行任何類型的 CPU 或 GPU 工作負載。X-Silicon 聲稱已經(jīng)擁有與“融合 GPU 加速”配合使用的 Vulkan 圖形 API。這將極大地有助于其在 Android 設(shè)備上的開發(fā)和采用。

由于新設(shè)計基于 RISC-V，任何人都可以使用該架構(gòu)，而無需支付指令集版稅——與 x86 和 ARM 不同。如果它按預(yù)期工作，這些芯片可能會震動微處理器行業(yè)。理論上，目前使用的標準設(shè)計并不像 X-Silicon 聲稱的那樣靈活或強大。

盡管我們可能不需要等很長時間才能知道，但它在實踐中是否和紙面上一樣有效還有待觀察。據(jù)報道，軟件開發(fā)工具包將于今年某個時候向早期合作伙伴發(fā)布。

X-Silicon 的低功耗、開放標準、支持 Vulkan 的 C-GPU

X-Silicon Inc. (XSi) 展示了其開放標準、低功耗 C-GPU 架構(gòu)，將 GPU 加速與 RISC-V 矢量 CPU 內(nèi)核和緊密耦合內(nèi)存相結(jié)合，形成低功耗、單處理器解決方案。它是其統(tǒng)一 RISC-V 矢量 CPU-with-GPU ISA 的開源版本，并通過硬件抽象層 (HAL) 提供寄存器級硬件訪問。XSi C-GPU 中的 NanoTile 架構(gòu)旨在處理實時數(shù)據(jù)處理和動態(tài)圖形渲染，克服了傳統(tǒng) GPU 架構(gòu)的限制。

20 多年來，業(yè)界一直在尋求一種足夠靈活且可擴展的開放標準 GPU，以支持各種市場，例如 AR/VR、汽車、互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)以及包括機器人在內(nèi)的龐大嵌入式垂直市場。X-Silicon 的動態(tài)且高度可擴展的 C-GPU NanoTile 架構(gòu)及其同時或順序處理多個任務(wù)的能力在這方面是獨一無二的。

X-Silicon Inc (XSi) 是一家總部位于圣地亞哥的初創(chuàng)公司，成立于 2022 年 3 月，推出了其最新創(chuàng)新：開放標準、低功耗 C-GPU 架構(gòu)，將 GPU 加速融入 RISC-V 矢量 CPU 核心，緊密耦合的內(nèi)存，提供低功耗、單處理器解決方案。XSi 的方法引入了其統(tǒng)一 RISC-V 矢量 CPU-with-GPU ISA 的開源，并通過硬件抽象層 (HAL) 提供寄存器級硬件訪問。該公司表示，這使得原始設(shè)備制造商和內(nèi)容提供商能夠通過不同尋常的定制來定制驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，這與競爭對手的封閉解決方案不同。XSi 相信，它在 RISC-V 上率先采用融合 GPU 加速的 Vulkan，促進了 Android 設(shè)備上的開發(fā)，這對于有效應(yīng)對多樣化的嵌入式垂直市場至關(guān)重要。

XSi的C-GPU采用NanoTile架構(gòu)，該公司表示該架構(gòu)可以滿足實時數(shù)據(jù)處理和動態(tài)圖形渲染的需求。傳統(tǒng)的 GPU 架構(gòu)難以處理動態(tài)數(shù)據(jù)，因此需要一種新穎的方法。XSi 表示，其處理器專為動態(tài)內(nèi)容的最佳管理和渲染而設(shè)計，超越了傳統(tǒng) GPU 的限制。通過集成 AI/ML 計算和 GPU 渲染，NanoTile 可確保效率和適應(yīng)性，是實現(xiàn)高級圖形算法的理想選擇。

該公司擁有 14 項專利，聲稱其 NanoTile 架構(gòu)徹底改變了 AI/ML 計算和 GPU 渲染。這些專利專注于優(yōu)化處理核心和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)流、減少延遲并提高計算效率。此外，NanoTile 的專利 IP 可以在邊緣和云配置中進行部署，從而培育 GPU 計算的聯(lián)合模型并提供靈活性和可擴展性。

XSi 的開放標準、低功耗 C-GPU 架構(gòu)和 NanoTile 平臺預(yù)示著 GPU 技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。憑借對開放標準、可定制硬件訪問和動態(tài)內(nèi)容渲染方法的支持，XSi 認為它將為 GPU 架構(gòu)樹立新標準，使開發(fā)人員和 OEM 能夠在圖形渲染和 AI/ML 方面釋放前所未有的性能和效率水平。計算應(yīng)用程序。

該公司報告稱，RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)對一家新的計算圖形公司的推出做出了積極反應(yīng)，該公司完全致力于推進開放標準生態(tài)系統(tǒng)。

該公司計劃在今年晚些時候向選定的一組早期開發(fā)合作伙伴提供其軟件開發(fā)套件。

初創(chuàng)公司將 MIMD 引入圖形和計算領(lǐng)域

X-Silicon 由前硅谷專家組建，旨在通過能夠執(zhí)行 AI、HPC 和 2D/3D 圖形任務(wù)的基于 RISC-V 矢量的統(tǒng)一圖形計算引擎 (C-GPU) 徹底改變 GPU 設(shè)計。其 MIMD 架構(gòu)可在單個內(nèi)核內(nèi)獨立執(zhí)行 CPU 和 GPU 代碼，從而降低內(nèi)存使用量并提高性能。該公司的多核布局具有快速合成器結(jié)構(gòu)，可增強不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)聚合。X-Silicon 尋求通過近內(nèi)存計算和新穎的硬件設(shè)置來減少 GPU 延遲，并獲得 14 項專利的支持。X-Silicon面向AR/VR、嵌入式設(shè)備、汽車等領(lǐng)域，支持標準API和開放式編程，可實現(xiàn)快速開發(fā)。最初的 IP 銷售針對 OEM 和超大規(guī)模廠商。

我們怎么看？一些新架構(gòu)的市場已經(jīng)成熟。三巨頭已經(jīng)從傳統(tǒng)的 SIMD 中榨取了一切，并添加了額外的核心，例如矩陣數(shù)學(xué)（有時稱為張量核心）、光線追蹤干擾測試引擎、編****和音頻處理器。X-Silicon 認為它可以通過緊密耦合的塊通信 MIMD 架構(gòu)來滿足許多（如果不是全部）這些專用處理器需求。為此，他們將利用 RISC-V ISA。

在2022年，一群來自 AMD、高通、英特爾、ATI Technologies、戴爾和其他公司的工程師、建筑師、程序員和商業(yè)開發(fā)人員正在努力工作。開發(fā)了一種新的 GPU 設(shè)計，并意識到他們應(yīng)該為自己的公司命名。作為新手，他們知道初創(chuàng)企業(yè)會浪費大量時間來嘗試獲得一個聰明、令人難忘的名稱和徽標。所以選擇了X。它可以是實驗性的、性感的或未知的——希望這一切都是真的。

為了徹底改造 GPU 著色器核心，X-Silicon 表示正在創(chuàng)建一種新的可擴展的基于 RISC-V 矢量的統(tǒng)一計算圖形引擎 (C-GPU)，該引擎可以高效地計算傳統(tǒng) GPU 所無法勝任的下一代工作負載類型。

此類應(yīng)用包括人工智能、高性能計算、視覺、幾何計算以及 2D 和 3D 圖形。該公司表示，其 MIMD 架構(gòu)具有獨特的能力，能夠在同一核心中獨立運行 CPU 和 GPU 代碼，提供低內(nèi)存占用執(zhí)行、硬件寄存器裸機編程、高性能、低功耗操作和替換等功能使用單個指令流，將傳統(tǒng)著色器程序與適用于 CPU 和 GPU 的開源 RISC-V ISA 結(jié)合起來。

在該公司的多核設(shè)計中，多個 C-GPU 核心平鋪在一個芯片上，并使用片上快速合成器結(jié)構(gòu)進行連接，該結(jié)構(gòu)可以將每個核心的輸出動態(tài)聚合到一個公共緩沖區(qū)中，即用于圖形用例的幀緩沖區(qū)或用于編****、視頻效果處理和 AI 處理的流水線緩沖區(qū)，如下圖所示。

在此設(shè)計中，快速片上 SRAM 或 eDRAM 緩存將用作二級緩存，可以聚合來自多個內(nèi)核的數(shù)據(jù)。計算 RAM (C-RAM) 的常見操作在內(nèi)存附近完成，將進一步減少帶寬并進一步提高性能。該公司聲稱，每個核心都可以進行軟件編程，以獨立于所有其他核心來計算圖形、人工智能、視頻、物理、高性能計算或其他工作負載。

因此，工作負載可以并行或流水線方式實現(xiàn)，并在核心上同時運行，而不是在傳統(tǒng) GPU 上順序運行。X-Silicon 表示，它還可以在核心上運行操作系統(tǒng)。

該公司聲稱，它還可以通過近內(nèi)存計算、統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)和其他新穎的硬件配置來加速計算，從而減少 GPU 固有的延遲。他們?yōu)榇松暾埩?14 項專利。

前迪士尼/Applied Minds/Giant AI 動畫行業(yè)專家 Eric Powers 評論道：“幾十年來，高端動畫和效果一直無法切換到 GPU 來生成最終圖像。專業(yè)渲染管道軟件的巨大復(fù)雜性和規(guī)模，加上專用 GPU 設(shè)計導(dǎo)致跨越內(nèi)存和平臺障礙的巨大成本，完全阻礙了我們最先進技術(shù)中 GPU 的大規(guī)模采用。集成設(shè)計使 HPC 開發(fā)人員能夠就地訪問直接硬件加速（例如 X-Silicon 的 C-GPU 架構(gòu)），這是帶領(lǐng)我們跨越這一邊界的唯一未來。”

X-Silicon 的 C-GPU 為希望控制其計算和 GPU 命運的 OEM 提供了新興用例的市場機會。它允許新的 API（包括自定義 API）以及為應(yīng)用程序定制的生態(tài)系統(tǒng)，而不是引導(dǎo) API 來執(zhí)行它從未打算執(zhí)行的任務(wù)。它不再要求原始設(shè)備制造商和制造商屈服于停滯不前的生態(tài)系統(tǒng)中的五巨頭。該公司認為其市場機會在于新興市場，例如具有更長電池壽命的娛樂和企業(yè)AR/VR、具有顯示需求的智能嵌入式設(shè)備、需要可預(yù)測專用處理的低成本汽車顯示器和模塊、可穿戴設(shè)備、定制動畫處理和別的。

該公司計劃支持直接硬件和像素訪問，因此對于低內(nèi)存應(yīng)用程序，不需要龐大的驅(qū)動程序。該公司表示，X-Silicon 的開放標準方法及其自己的開放編程模型將有助于快速、輕松地開發(fā)新用例以及改進現(xiàn)有產(chǎn)品。當(dāng)然，X-Silicon還計劃支持傳統(tǒng)軟件生態(tài)系統(tǒng)中的所有API，包括OpenGL ES、Vulkan、Mesa和OpenCL，但該公司還將提供硬件抽象層（HAL），允許直接訪問其他人則優(yōu)化開源或創(chuàng)建自己的驅(qū)動程序和自定義 API。這是特別有趣的，因為該架構(gòu)支持新興技術(shù)，包括傳統(tǒng)架構(gòu)不支持的新渲染模型，例如神經(jīng)輻射場（NeRF）和非三角形圖元。

該公司計劃首先向 OEM、超大規(guī)模廠商和其他系統(tǒng)集成商出售 IP。首次硅片的推出日期尚未給出。

X-Silicon 將 CPU 和 GPU (C-GPU) 與單一 ISA 和開放圖形操作系統(tǒng) (GOS) 平臺集成，可以對下一代圖形渲染的整體軟件開發(fā)、支持和維護產(chǎn)生深遠影響。這可以在未來的圖形領(lǐng)域開啟一個激動人心的創(chuàng)新時代，為新興和傳統(tǒng)細分市場提供新的圖形算法、性能、功耗、靈活性和成本的方法。這種方法徹底改變了圖形世界，讓 OEM 擺脫了傳統(tǒng) GPU 供應(yīng)商的束縛，這些供應(yīng)商提供具有復(fù)雜 API 和昂貴的傳統(tǒng)支持的黑匣子驅(qū)動程序。

傳統(tǒng) GPU SIMD 架構(gòu)受制于主機 CPU、操作系統(tǒng)和圖形服務(wù)，限制了創(chuàng)新并有助于保持現(xiàn)有企業(yè)對其市場的控制。新的、新興的、較小的垂直市場，通常得不到這些傳統(tǒng)圖形供應(yīng)商的服務(wù)，可以開發(fā)和支持引人注目的圖形解決方案，這些解決方案可以在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)升級和維護。使用新顯示技術(shù)、新格式和使用范例（VR/AR、360、深度、立體、多平面全息）的下一代產(chǎn)品通常需要一種新的渲染方法。新的開發(fā)和部署范例還需要一致的架構(gòu)，例如可從邊緣擴展到云的架構(gòu)。

X-Silicon 不僅僅是傳統(tǒng) GPU 供應(yīng)商的開源替代方案，它還準備提供一種新技術(shù)圖形處理框架，該框架融入了最新的人工智能和超越基于三角形的渲染，以提供自 3D 引入以來從未見過的創(chuàng)新平臺本世紀初移動設(shè)備上的圖形。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察