Первая в мире SoC FPGA на базе RISC-V работает под управлением Linux

Устройство Microsemi от Microchip представило детерминистическую архитектуру PolarFire SoC с низким энергопотреблением в режиме реального времени для периферийных устройств Linux, которая объединяет FPGA PolarFire с четырьмя ядрами RISC-V, поставляемыми SiFive.

На сегодняшнем саммите RISC-V в Санта-Кларе, штат Калифорния, дочерняя компания Microchip Microsemi анонсировала архитектуру PolarFire SoC, разработанную в сотрудничестве с SiFive.
Эта «полностью настраиваемая, программируемая платформа RISC-V» «предоставит возможность детерминированной асимметричной многопроцессорной обработки (AMP) в реальном времени для платформ Linux в многоядерном кластере ЦП», - говорит Чандлер из микрочипа Ariz.

Дизайн PolarFire SoC позиционируется как первая в мире FPGA на базе RISC-V, тип программируемого процессора, который получил широкое распространение в различных областях - от пограничных серверов до дронов.
Система на кристалле сочетает маломощную FPGA Microsemi с низким энергопотреблением и четырехъядерный процессорный комплекс SiFive U54 -MC, чтобы помочь разработчикам создавать системы реального времени с предсказуемым поведением.
Те же самые ядра поддерживают SiFive Freedom U540 SoC на его плате HiFive Unleashed , одной из платформ разработки PolarFire SoC для Linux (см. Ниже).


Архитектура SoC PolarFire

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

По словам Тима Морина из Microchip во время брифинга в HardLinux, PolarFire SoC будет напрямую конкурировать с гибридными Soils Xilinx Arm / FPGA Zynq.
С точки зрения производительности, этот дизайн среднего класса находится между оригинальным двойным Cortex-A9 Zynq-7000 и Zynq UltraScale + на базе Cortex-A53.

Основные преимущества PolarFire SoC перед гибридными SoC Arm / FPGA, которые также включают в себя более ориентированный на центры обработки данных Stratix 10 от Intel, включают в себя более настраиваемый, открытый дизайн RISC-V, а также более низкое энергопотребление и гораздо лучшие детерминированные возможности в реальном времени.

«С помощью PolarFire SoC ISA Linux и в режиме реального времени могут сосуществовать бок о бок в более элегантной манере, чем мы видели раньше», - сказал Морин, директор по маркетингу продуктов Microchip, подразделения Programmable Solutions.


Архитектура SiFive U54-MC Coreplex

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

Детерминированные встроенные приложения реального времени реализуются с помощью слегка модифицированной версии SiFive U54-MC Coreplex SoC, которая объединяет 4x 28-нм изготовленные ядра U54-MC и пятое ядро ​​управления «E51».
Coreplex имеет подсистему «когерентного кэша» L2 объемом 2 МБ, которую на PolarFire SoC можно настроить как кэш, блокнот или память прямого доступа.

После работы с SiFive в подсистеме ЦП PolarFire SoC Microchip был изначально разочарован производительностью в реальном времени.
Прорывом стало решение отключить предсказатели веток для ядра управления E51.

«Вы можете отключить предсказатель ветвления в ядре E51, которое загружает систему и запускает ее», - сказал Морин.
«Это делает само ядро ​​более детерминированным со всеми ядрами, связанными с подсистемой.
Мы можем очистить часть кэш-памяти L2, чтобы обеспечить прямой доступ к памяти, и еще немного очистить когерентный буфер блокнота для всех ядер, который можно использовать для передачи сообщений между Linux ».


U54-MC Coreplex от PolarFire SoC, показывающий, как отключение предикторов ветвления обеспечивает детерминированные функции

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

Удаление предикторов ветвления продемонстрировало еще одно преимущество работы в сообществе RISC-V.
Не только открытая платформа RISC-V предназначена для такой настройки, но и в эти первые дни для RISC-V, как и производители.

«SiFive - очень гибкий IP-провайдер», - сказал Морин.
«Мне трудно поверить, что Арм сделал бы что-то вроде отключения предсказателей веток».

Безопасная FPGA PolarFire с низким энергопотреблением

По словам Микрочип, низкое энергопотребление RISC-V частично объясняется его простотой, которая также упрощает настройку, отладку и защиту от угроз.
Между тем архитектура PolarFire FPGA уже отличается низким энергопотреблением, которое, по утверждению Microchip, на 50 процентов ниже, чем на FPGA на основе SRAM.

PolarFire SoC также наследует обширные функции безопасности и надежности FPGA PolarFire.
К ним относятся исправление одиночной и двойной ошибки и обнаружение двойной ошибки (SEC-DED) во всех ячейках памяти.

Другие функции безопасности включают защиту физической памяти и безопасное криптографическое ядро ​​с анализом дифференциальной мощности (DPA).
PolarFire SoC также обеспечивает «безопасную» безопасную загрузку и флэш-загрузку ПЗУ 128 КБ, и, поскольку он использует пятиступенчатую упорядоченную архитектуру, он не страдает от таких проблем, как Sceptre и Meltdown, обнаруженных в заказ чипов, претензии микрочип.

PolarFire SoC также рекламируется за его расширенные возможности отладки.
К ним относятся трассировка инструкций, 50 точек останова, мониторы шины Advanced eXtensible Interface (AXI) с настраиваемым пассивным временем выполнения и матричные мониторы FPGA.
Другие функции включают двухканальный логический анализатор SmartDebug от Microchip.

Платформа разработки Linux

Microchip поставляет платформу разработки под управлением Linux, которая состоит из HiFive Unleashed SBC и платы расширения HiFive Unleashed от Microsemi.
Плата расширения, запущенная в мае на Crowd Supply в сотрудничестве с партнером-производителем Pactron, предоставляет отдельные чипы U540 и PolarFire FPGA в сочетании с расширениями PCIe и USB.


HiFive Unleashed Expansion Board

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

Microchip также поддерживает PolarFire SoC с платформой моделирования системы Renode с открытым исходным кодом, которая разработана и поддерживается ее партнером Antmicro.
Renode интегрирован с интегрированной средой разработки SoftConsole компании Microchip для встраиваемых проектов, ориентированных на SoC PolarFire.
Antmicro предлагает Renode клиентам Microchip и SiFive, позволяя имитировать весь SoC для разработчиков RISC-V, а не только для центрального процессора.
Renode 1.6 был выпущен 4 декабря, что позволяет разрабатывать программное обеспечение до кремниевого режима для PolarFire SoC и доступно на GitHub .


HiFive Unleashed

Microchip поддерживает дизайн SoC с помощью своей экосистемы PolarFire Mi-V RISC-V.
Компания также объявила о программе Mi-V Embedded Experts, «всемирной партнерской сети, которая помогает заказчикам разрабатывать аппаратное и программное обеспечение для PolarFire SoC». Услуги включают в себя полную поддержку жизненного цикла продукта, прямой доступ к технической поддержке и ранний доступ к платформам разработки и силиконам. ,

Морен отметил, что то, что SoC PolarFire основан на ISA с открытым исходным кодом, не означает, что это SoC-дизайн с открытым исходным кодом.
«Мы купили IP у RISC-V, и хотя набор инструкций является открытым исходным кодом, некоторые части принадлежат SiFive», - пояснил он.
«В области ввода / вывода мы купили IP у Synopsis, Cadence и других».

Microsemi проложил путь к разработке программных реализаций, которые могут работать на FPGA для создания прототипов, и был одним из первых разработчиков архитектуры RISC-V с открытым исходным кодом.
Компания предлагает программную платформу SmartFusion 2 SoC FPGA с мягким ядром для разработки с MCU-подобной платформой SiFive для Freedom E300 SoC, которая также использует SiFive-совместимую с Arduino плату разработки HiFive1 .

В конце октября SiFive анонсировала список ядер следующего поколения, включая две более мощные модели с поддержкой Linux: Cortex-A55, например U74 и U74-MC .

Генеральный директор SiFive Naveed Sherwami: «Благодаря использованию лидирующего на рынке центрального процессора UF-MC от SiFive, PolarFire SoC позволит дизайнерам преодолеть универсальную задачу построения систем реального времени с предсказуемым поведением».

Дальнейшая информация

Данные о доступности для раннего этапа проекта PolarFire SoC не были объявлены.
Дополнительную информацию можно найти в объявлении и на странице продукта на веб-сайте дочерней компании Microchip Microsemi.