PCCC24（第24回PCクラスタシンポジウム）：株式会社アックス テーマ１「『俺のSoC』実現サポート」
- 2. 機能 数 備考 CPU 1 RISC-V RV32Iに、4SIMD 8bit浮動小数点ベクトル機構、ハードウェアによるマルチタスク制御機構、多重分岐命令 (特許取得済、Prolog,Lisp,JavaVMの実行を加速)と、それらを操作する命令を付加 RAM 1 プログラム・コードRAM 64KBytes。reset後、bootloaderにより、SIO経由でプログラム・コードを配置可能。 CPUコアによるコードRAMの内容変更はできない 1 データRAM 64KBytes SIO(UART ) 3 SIO0(UART0)は、bootloadingとデバッグ・コンソールに使用される。UART1,2はユーザが自由に使用できる GPIO 38 18本はPullUP指定可能。20本はPullDown指定可能。2本は、SIO1と兼用。2本は、SIO2と兼用。18本は外部 イベント源として使用可能。(※外部イベントとは、一般CPUにおける割込のようなもの。外部イベントが発生すると、イベ ントについて待機しているスレッドが起床する) AWG 1 16bit出力,1ch。出力ピンは、PWMと兼用。PWMと排他的に使用 PWM 8 出力ピンは、AWGと兼用。AWGと排他的に使用 Ether I/F 1 NICはオンチップであり。PHY I/Fを持つ (PHYは外付け) ROS2通信機 能 1 "ROS2rapper"という名称の、新開発のハードウェアによるROS2通信機能。CPUから初期化することで、自動的に 通信を行う 外部SRAM I/F 1 32bit,入力/出力独立。ただし、AX1001では外部ピンの制約により使用できない AXEの完全オリジナルLSI ”Laxer AX1001”概要仕様 TSMC 90nmで製造 LQFP 100pin 27/SEP/2024 京都で1stシリコン動作
- 3. (株)アックス(1992年創業)の基本ソフトの採用実績 ・日本の独自CPUの基本ソフトウェアをサポート 東芝MeP, セイコーエプソンC33,C17、ルネサス(旧日立製作所)SH-Mobile,SH2A, ルネサス(旧NEC)V850, 富士通 FR/V, シャープLH795xx 資本金+資本準備金=5億3千万円 Nextyエレからも資本が入っている 村井純先生(インターネット殿堂入り)も株主だ 国スパコン富岳 OS研究 富岳にはMcKernelが採用されている ロボット(産総研) 自動運転Autoware (ROS使用,OSS) 小さなもの/IT家電用OS/Linux
- 4. Autoware(ROS使用)応用 iinoプロジェクト ● iino(ゲキダン イイノ) - 関西電力の新規事業プロジェクト - 時速 5km/h でゆっくり走行 https://gekidaniino.co.jp/ https://iinomob.jp/ 宇都宮 竹林若山農場 宇都宮 大谷資料館(採石場跡地) - 街なかを移動 ● チョイ乗り 2023年11月 御堂筋で公道走行 https://gekidaniino.co.jp/wp/wp-content/uploads/ 2023/11/%E3%83%88%E3%83%83%E3%83%97%EF%BC %92%E3%83%9F%E3%83%8B.pngより引用
- 5. AXEの”俺SoC” AX1001 LEDチカチカ https://drive.google.com/file/d/10z89qI9ZQaNe8txQFIMjL5HRLol7bTh4/view?usp=drive_link ROS2Subscribe https://drive.google.com/file/d/1M2Jt1u0B1dGReELrE8qoQbPvnz0AZl3c/view?usp=drive_link ROS2Publish https://drive.google.com/file/d/1CCb1PVTXruBFXhebgIjcXFeVvfWzMIoC/view?usp=drive_link
- 6. 1pin Ethernet テスト基板 Ethernetで、ハードウェアROS2が動作 LEDチカチカ https://drive.google.com/file/d/10z89qI9ZQaNe8txQFIMjL5HRLol7bTh4/view?usp=drive_link ROS2Subscribe https://drive.google.com/file/d/1M2Jt1u0B1dGReELrE8qoQbPvnz0AZl3c/view?usp=drive_link ROS2Publish https://drive.google.com/file/d/1CCb1PVTXruBFXhebgIjcXFeVvfWzMIoC/view?usp=drive_link
- 7. Laxer1.5 ChipA(AX1001)ブロック図 Ethernet Ether PHY PHY I/F MII Protocol Laxer1.5 chip UDP/IP SIO (Newracom AT I/F) Ethernet ROS2rapper Newracom Wireless Com. Module IEEE802.11ah SIO (AT modem) AWG (PWM) GPIO SIO CPU core 松竹V Vector Unit CPU I/F CPU I/F reg. SRAM Raw packet AT-commnad ChipB I/F アプリケーション層ユニット CPU I/F CPU I/F reg. CPUクロック周波数は 動的に変更可能 ROS2rapperは、 CPU無しで動作可能。 IOドメイン CPUドメイン ROS2ドメイン SIO (Command) SIO (command from Newracom ) センサ& ADC サーボモータ ※100Bas EtherPHYのクロックが25MHzであるから、 Ethernet用ROS2raperは25MHzより高い周波数で動かすことが望まれる。 SIOの場合は、その限りではない
- 8. OSプログラム・コード OSワーキング・エリア 不要! “俺SoC”,とことんOS無し ● 省電力、省メモリ、堅牢かつ高速 ● ロボットの部品モジュールがローコストで簡単に作れる オレ達のCPU「松竹V(しょうちくぶい)」 ● 機械学習AI 加速用 ベクトル計算ユニット(8bit float,4SIMD,パイプライン) ● 論理推論加速 機構をRISC-Vコアに追加 ● 特許取得済み(第7506718号,2024年6月18日 (東京エレクトロンと共同特許)) ● GnuPrologのコンパイルド・バイナリを加速 ● ハードウェア・マルチスレッド機構 ● OSソフトウェア一切なしで、スレッド切り替え ● ハードウェア・セマフォで排他/同期。LR/SCもある ● 外部ピンからの入力で、スレッド起床(ハードウェアのみで) ● 割り込みなし(割り込み相当の処理は、専用スレッドで) ROS2通信ハードウェア”ROS2rapper”を搭載 ● CPUの助けなしにROS2通信 外部I/O: Ethernet I/F, 任意波形生成器(AWG(PWMにもなる)), GPIO エッジデバイスでも 大脳的処理を! OS 不要のROS!
- 11. ROS2プロトコル ROS2は、ロボット業界のデファクトスタンダードになろうとしている ● ロボットの部品モジュールはROS2プロトコルで結びつける ● ロボットの部品モジュールの流通性を高める ● 自動運転でも使用されている ROS2は、これまで Linux、一部のRTOSで動作するソフトウェアだった ☓ Linuxは、MMUのついた高級なCPUで動作。メモリが多く必要。高電力消費。 PWM センサ & ADC Linuxハードウェア Linuixマイコン Ether IF + Phy Ether IF + Phy ROS2 (ソフトウェア) ロボット指令 モジュール ROS2 AXEでは、ROS2プロトコルを完全ハードウェア化した”ROS2rapper”を開発 これまでのROS2
- 12. ROS2プロトコルを完全ハードウェア化した… ● CPU無しで、ロボットの部品モジュールができる ● センサとROS2プロトコルHWだけで、センサ・モジュール ● PWMとROS2プロトコルHWだけで、アクチュエータ・モジュール ● アプリケーションはC言語で書いておけば、すぐハードウェア論理に合成 ● ロボット部品が、ゴミのようなLSIでできる ← CPU不要 ● 高速、堅牢、低消費電力 PWM センサ & ADC ROS2 ハードウェア ROS2 ハードウェア Ether IF + Phy Ether IF + Phy ROS2 アプリ (HLS言語記述) ROS2 アプリ (HLS言語記述) ロボット司令 モジュール AXE製、”ROS2rapper” ROS2rapperのある世界=しょぼいエッジ機器にはLinux不要=省電力&堅牢 “ROS2rapper”IPは、 オープンソース・ハードウェアで配布中. https://github.com/AXE-jp/ros2rapper
- 13. マルチタスクだが、 OSプログラム・コード OSワーキング・エリア 不要! “俺SoC”,とことんOS無し ● 省電力、省メモリ、堅牢かつ高速 ● ロボットの部品モジュールがローコストで簡単に作れる ハードウェア・マルチスレッド機構 ● OSソフトウェア一切なしで、スレッド切り替え ● ハードウェア・セマフォで排他/同期(重要) ● LR/SC(RISC-Vの排他制御プリミティブ)もある ● 外部ピンからの入力で、スレッド起床(ハードウェアのみで) ● 割り込みなし(割り込み相当の処理は、専用スレッドで) ● ラウンドロビン・スケジューリング スレッド1 スレッド2 セマフォ 取得(成功) セマフォ 解放 セマフォ 取得(待ち) セマフォ 取得(成功) セマフォ 取得(成功) スレッド2 休止 スレッド2 再開 オレ達のCPU「松竹V(しょうちくぶい)」の排他制御 きわどい 領域
- 15. スレッド操作、 セマフォ操作命令
- 16. オレ達のCPU「松竹V(しょうちくぶい)」 機械学習AI 加速用 ベクトル計算ユニット ・8bit float,4SIMD,ベクトル・パイプライン ・動的クロック切り替え機構で500KHz〜320MHzで、動作 ※最高 480MHz (動的クロック切り替え非対応) ・Vector ExtensionのImplementation-defined Constant Parameters(実装 固有パラメータ) ELEN:32 ,VLEN: 1024 ・ベクトルレジスタ 1024ビットのベクトルレジスタ×32個 ベクトルレジスタはすべてのタスクで共有(実体は1つ) 機械学習AIの推論に最適な8bit浮動小数点演算をベクトル処理 ● エッジ機器内での、AI処理 ↓ ● データ通信量の削減 ・分散処理による、全体の負荷の分散 エッジデバイスでも AI処理を! 32ビットのスカラ浮動小数点数レジスタ (Fレジスタ): 32個も備える
- 17. 8bit浮動小数点 ベクトル演算命令 ● AX1001の8bit浮動小数点数のフォーマット – 仮数部:3bit, 符号:1bit 指数部:4bit, 指数バイアス=7
- 18. オレ達のCPU「松竹V(しょうちくぶい)」 ● 省電力、省メモリ、堅牢かつ高速 ● ロボットの部品モジュールがローコストで簡単に作れる 論理推論 AI加速 機構をRISC-Vコアに追加 ● 特許取得済み ● 第7506718号,2024年6月18日 (東京エレクトロンと共同特許) ● GnuPrologのコンパイルド・バイナリを加速 ● 詳細は、付録参照のこと エッジデバイスでも 大脳的処理を!
- 19. その他の カスタム命令
- 20. テストプログラム名 CPUクロック周波数・消費電力(mW) - - 320MHz 1.79MHz - - 実測(1.0v)mA 実測(3.3v)mA 1.0V+3.3v計 (mW) 実測(1.0v)mA 実測(3.3v)mA 1.0V+3.3v計 (mW) メモリテスト 177.0 5.0 193.5 10.0 0.0 10.0 有意義なことはしていない 113.0 11.0 149.3 30 10 63.0 Laxer AX1001 消費電力概要 参考 ※実際には、DC-DCコン バータなどで損失が出るの で、仮の理想値 電池容量 (mW換算) 320MHz(時 間) 1.79MHz(時間) 単1形アルカリ電池容量 約 10,000 mAh/1本, 3本4.5v使用 135,000 697.67 13,500.00 単3形アルカリ電池 容量約 1,000～2,900mAh/1本, 3本4.5v使用 39,150 202.33 3,915.00 コイン電池CR2450 (3V) 620mAh, 2個(6V)使用 (※最大電流30mA/1個) 7,440 (38.45 ※電流が足りない) 744.00
- 21. 高位合成で 時代が変わった
- 23. ROS2プロトコルを完全ハードウェア化 ● ソフトウェア技術者がハードウェア論理を書き、LSI化。現実に! ● OSSとして、配布を準備中 ● LGPLとAXEプロプライエタリの、ダブル・ライセンスを検討中 ● CPU無しで、ロボットの部品モジュールができる ● センサとROS2プロトコルHWだけで、センサ・モジュール ● PWMとROS2プロトコルHWだけで、アクチュエータ・モジュール ● アプリケーションはC言語で書いておけば、 すぐハードウェア論理に合成 ● ロボット部品が、ゴミのようなLSIでできる ←CPU不要 ● CPU脳の敗北 ● ハードウェアなので、堅牢かつ高速。そしてコンパクト ※ROS2ハードウェアには、コンフィギュレーション用のPROMがあることが望ましい PWM センサ & ADC ROS2 ハードウェア ROS2 ハードウェア Ether IF + Phy Ether IF + Phy ROS2 アプリ (C言語記述) ROS2 アプリ (C言語記述) ロボット司令 モジュール AXEが、ROS2プロトコルを完全ハードウェア化”ROS2rapper” Arty A7-35ボード(xc7a35ti-csg324-1Lチップ)において FPGA使用資源 ● LUT: 33666 ● FF: 13087 最大周波数: 121.01MHz 送信パケット生成 所要時間: ● IPデータグラム生成複数サイクル版: ● 14サイクル=140nsec@100MHz ● IPデータグラム生成1サイクル板): ● 8サイクル=160nsec@50MHz 受信 処理時間: ● 46サイクル=460nsec@100MHz オープンソース・ハードウェアで配布中. https://github.com/AXE-jp/ros2rapper
- 24. ロボット用ミドルウェア(ROS, RTミドルウェア など) 引用元 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2005/pr20050224/pr20050224.html ROS ロボット・ミドルウェア = ソフトウェア・バス ロボットのモジュールの流通性が高まる 日本のロボット業界は、ROSをデファクト・スタンダードにしようと活動している
- 25. CPU脳を たたき直す
- 26. もう、CPUは(簡単には)速くならないよ ● ついに、微細化 限界 ● 微細化 による ● 高集積 ● 高クロック周波数 ● コア数 増加 は終了 ● 専用 ロジック回路による ● 高速化 ● 省 消費電力 を行うしか
- 27. 自由ASIC時代 ● 「CPU脳」な人類を、パラダイムシフト ● CPU抜き アーキテクチャを、すすめる ● CPU抜き システムのアーキテクチャ決定をサポートすべし main() { } ハードウェア (状態数が たいへんに大きい精密機械) 旧人類 CPU脳
- 28. 脱CPUアーキテクチャ を 推進する ● 新しい細粒度 高並列アーキテクチャの時代 ● 1port RAMをやめさせる、D-FFを使わせる ● 同時並列にバラバラにデータ・アクセスできる ● 教育＆コンサルテーションを提供します! CPU脳プログラマ ツールと教育 与えて、 救済
- 30. 日本の半導体 産業 復興! 国内8社が半導体製造会社「Rapidus」設立 経産省キモ入り 「10年の遅れ」取り戻す キオクシア、ソニーグループ、ソフトバンク、 デンソー、トヨタ自動車、NEC、NTTが それぞれ10億円、三菱UFJ銀行が3億円を 出資した。 半導体 工場は、かろうじて 最新のものがある でも、「お高いんでしょう〜?」 技術者 不足 半導体 設計 技術者 論理回路 設計 技術者 このへんの人たちの … 話でしょ https://www3.nhk.or.jp/news/html/20221111/k10013887921000.html
- 31. 技術者 不足をStop!日本の半導体 産業 復興! • OSSの開発ツールで、LSI 開発 ● 無料ツールの使い手が増える → 技術者不足 解消! ● 半導体 設計 技術者 ● 論理回路 設計 技術者 • 半導体 工場は、「お高くない」ものもある ● 65nm とか、安くて かなりいい • レガシーファブの活性化 みんなのLSI 俺のASIC LSI LSI開発の民主化だっ 開発の民主化だっ!!! !!! お金持ちだけの LSI
- 33. Googleがカスタム半導体の民主化・自由化を推進 Googleと半導体ファウンドリの「SkyWater」が協力し、業界初となるオープンソースのPDKを公開 Skywaterは2017年に米Cypress Semiconductorからスピンオフしたファウンドリ企業 PDK プロセス設計キット ● ある特定の半導体プロセスで回路設計を行う際に必要な設計情報 ● トランジスタ配置の制約条件などが書かれている 半導体の設計者は、半導体製造のファウンドリから「Process Design Kit(PDK)」と呼ばれる開発キットを購 入 半導体ファウンドリが提供するPDKは高価 → それが無料 OSSに! SkyWaterの130nmプロセス「SKY130」で半導体チップの製造を行うための設計を無料で行うことが可能 GitHub - google/skywater-pdk: Open source process design kit for usage with SkyWater Technology Foundry's 130nm node. https://github.com/google/skywater-pdk
- 35. eFabless 事例1 NEDO資金も受け、日本人 河崎氏も、実際に、LSIを開発した。 ※河崎氏は、RISC-V Foundation ボードメンバで、JASA RISC-V WGメンバでもある 「Google社 が スポンサとなりeFabless社 の オープンソースシャトル を 使用し30日でRISC-V半導体 を 設計試作」 ● https://riscv.or.jp/2022/05/marmot-risc-v-asic/ eFabless 事例2 ● 今村 謙之氏も、実際に、LSIを開発した。 ● 「Kernel/VMレイヤーを自分色に染める！By ISHI会」 ● https://www.slideshare.net/noritsuna/kernelvmby-ishi ● イベント「はじめての半導体チップ設計」のアーカイブ動画を公開 ● https://ishi-kai.org/event/report/2023/08/25/AugustEvent_0804_Report.html https://www.youtube.com/watch?v=W-HDNI4JK5A
- 36. 国内もLSI開発の民主化 推進 日本も、国の金で 施設を用意 ふくおかIST(公益財団法人 福岡県産業・科学技術振興財団) 福岡システムLSI総合開発センター 「システムＬＳＩ設計試作センター」 ● http://www.ist.or.jp/lsi/pg04_02.html ● ベンチャー企業が半導体の設計ツールを無料(安価)で利用できる ● LSI設計、少量試作できる ● 50〜100万円あれば、LSIの少量生産ができる仕組みがある
- 38. Open Source EDA Supporters (discode) https://discord.com/channels/753405627564294176/932209975558832128 ● OSS EDAをサポートする人たちの集まり ● 親切で優しい ● ふくおかIST のOSS EDAサーバのユーザ会 ● サーバを維持するモチベーション ● オレオレ Open PDKを開発したり: 森山氏 ● オレオレ Standard Cellライブラリを開発できるツールの開発者が居たり: 澤氏 ⻄ @早稲田大 ● オープンソースＥＤＡフォーラム @福岡 ● 2023/DEC/08 ● OSSコンソーシアムEDA部会が共催 ● JASA OSS活用WG協力 ● OSC福岡にも出展 ● OSSコンソーシアム&協力:JASA OSS-WG体制 ● 2023/DEC/09
- 39. 回路検証 (icarus) 回路合成 (yosys) STA (vesta) ロジック部開発フロー OSS EDAに必要な ライブラリ ↓ 回路設計 (Editor) OSSによるLSI開発のEDAフロー StdCell Verilog model StdCell .libファイル StdCell Verilog Model (vesta) Place (Graywolf) Router (Qroute) STA (vesta) DRC/LVS (klayout) StdCell LEF StdCell LEF StdCell Verilog model Technology file ● OSS EDAに必要なライブラリは Fabのデータから変換が必要 ● OpenRAM、PLL、アナログは別なフローになる 配置 配線 確認
- 40. ソフトコアCPU 改造 承ります
- 41. RISC-Vのトラストゾーン TEE実装 Key stone が、どう動くか調査 ● RISC-V(Key stoneが使用の実装) には、3つのレベルがある · U-mode (User) / S-mode (Supervisor; OS) / M-mode (T rusted) ● M-modeのみ物理空間で、プロテクトできる(T rustWorld) ● U-mode や S-mode は仮想空間(通常のOSが使用) · M-mode に入るには、ECALL 命令を使用 ECALL 命令 呼び出し http://docs.keystone-enclave.org/en/dev/Getting-Started/How-Keystone-Works/Keystone-Basics.html 図を引用 ● OSSなので、ソースを読んで調査 http://docs.keystone-enclave.org/ オープンソース・プロジェクト ARMでいう Trust Zone と同等のものを、RISC-Vで実現
- 42. Humming bird E203 core改造 図は下記より引用: https://content.riscv.org/wp-content/uploads/2018/07/Shanghai-1110_HummingBirdE200forShanghaiDay_v1.pdf ● e203には、ビット操作 拡張命令 “B”が入っていない ● オレオレ 命令 を追加 population, parity, clz(count leading zero), ctz(count trailing zero), Float add, bit reverse, half word exchange, quarter word exchange E203はTang Primer FPGAボードで動作する RISC-Vソフトコア
- 43. SPARCもオープンソースなソフトコアあり ● Open Sparc https://www.oracle.com/servers/technologies/opensparc-overview.html ● LEONシリーズ ● 欧州宇宙機関(ESA)が積極開発 ● Open Sparc の継続 https://en.wikipedia.org/wiki/LEON ● Len3, 3FT,4,5 ● LEON3FT : Fault-tolerant processor https://www.gaisler.com/index.php/products/ipcores https://www.gaisler.com/index.php/products/processors/leon3 ● Leon3 はGPL ● SPARC v8 が FPGAでも動作
- 45. 以上 AIもやってます 「ごまめ 」 健康のためのAI お問い合わせ https://www.axe.bz/ mail to: eigyo@axe.bz ®