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(Quelle: Microchip Technology)

RISC-V ist eine reduzierte Befehlssatzarchitektur (ISA, Instruction Set Architecture), die für Skalierbarkeit und Vielseitigkeit in einem breiten Einsatzbereich und in vielen Anwendungsfällen entwickelt wurde. Als Open-Source-Alternative zu etablierteren Befehlssatzarchitekturen (ISAs) gewinnt RISC-V schnell an Akzeptanz und bietet höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromverbrauchs. Das Support-Framework rund um RISC-V wächst ebenfalls. Microchip Technology baut dazu ein Ökosystem auf, das sein Portfolio an RISC-V Soft Computer Processing Units (CPUs) und PolarFire^® System-on-Chip (SoC) FPGAs unterstützt. Das Ergebnis sind RISC-V-basierte Designs mit geringerem Stromverbrauch, höherer Flexibilität, schnellerer Markteinführung und Linux-Unterstützung ohne die von anderen Lösungen geforderten Kompromisse.

Mi-V-Ökosystem von Microchip Technology

Um Entwicklern eine umfassende Designlösung anbieten zu können, ist ein wachsendes Ökosystem von entscheidender Bedeutung, denn nur so kann die Markteinführungszeit eines Produkts verkürzt werden. Das Mi-V-Ökosystem von Microchip umfasst Soft-Core-RISC-V-CPUs (Abbildung 1), die auf FPGAs ausgerichtet sind, sowie Hard-CPU-Cores, die in den PolarFire SoC-FPGAs implementiert sind. Darüber hinaus bietet Mi-V eine umfangreiche Suite von Design-Tools und Ressourcen, die von Microchip und seinen Partnern entwickelt wurden, um Entwickler bei der Einführung und Weiterentwicklung von RISC-V-Anwendungsdesigns zu unterstützen. Diese Tools können in Verbindung mit verschiedenen Hardware-Kits – dem PolarFire Evaluation Kit für PolarFire FPGAs und dem Icicle Kit für PolarFire SoC FPGAs – und den zugehörigen IPs und Bibliotheken zur Vereinfachung der Implementierung von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, digitaler Signalverarbeitung, Speicher, Motorsteuerung und sogar Embedded Vision verwendet werden, um die Entwicklung von Lösungen zu beschleunigen. Die Unterstützung für Real-Time-Linux ist ein wesentlicher Vorteil der Microchip Technology RISC-V-Implementierung mit deterministischer Ausführung, die für Echtzeitanwendungen entscheidend sein kann. Mi-V bietet außerdem Unterstützung von Drittanbietern für eine breite Palette von Entwicklungstools und Ressourcen.

Abbildung 1: FPGA mit RISC-V IP Core (Quelle: Microchip Technology)

Das RISC-V-CPU-Portfolio von Microchip Technology

Das Portfolio der RISC-V Soft-CPUs von Microchip Technology ist speziell für FPGAs mit niedrigem Stromverbrauch und geringem Platzbedarf konzipiert. Wenn nur eine einzige CPU benötigt wird, kann eine FPGA-basierte Implementierung Vorteile bieten. Eine FPGA-Implementierung ist zudem flexibler und anpassungsfähiger und bietet die Möglichkeit, spezielle Hardware-Beschleunigung nahe der CPU hinzuzufügen. Wenn mehrere CPUs benötigt werden, z. B. in Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeits- oder Leistungsanforderungen, bietet der PolarFire SoC FPGA fünf gehärtete RISC-V-Cores. Dieses Linux-fähige SoC verfügt über ein kohärentes Speichersubsystem für alle Cores sowie konfigurierbare Funktionen zur Branch Prediction. Dies ermöglicht eine flexible Kombination von deterministischen Echtzeitsystemen und Linux in einem einzigen Multicore-CPU-Cluster, das jederzeit präzise und zuverlässig ausgeführt wird. Die Verfügbarkeit sowohl von weichen RISC-V-Cores als auch von gehärteten Cores im Mi-V-Ökosystem macht das Portfolio von Microchip Technology zu einem der flexibelsten in der Branche. Die Energieeffizienz der Hard-Core-CPU-Implementierung und die inhärenten stromsparenden Eigenschaften der PolarFire FPGAs sorgen dafür, dass die RISC-V-Lösung von Microchip Technology führend bei der Reduzierung des Stromverbrauchs ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Blockdiagramm des PolarFire SoC FPGA (Quelle: Microchip Technology)

Erweiterte RISC-V-Anwendungen durch PolarFire SoC FPGAs

Die meisten FPGAs verfügen nur über einen einzigen Softprozessor, aber durch die Verwendung mehrerer Kerne auf einem einzigen FPGA kann der Cluster Ressourcen gemeinsam nutzen und die Rechenlast verteilen. Multicore-Prozessoren haben bewiesen, dass sie komplexe Funktionen und Operationen effizienter ausführen als ihre Vorgänger, wie z. B. In-Memory-Computing und massive Parallelität. Die FPGAs der PolarFire SoC-Familie basieren auf der bekannten PolarFire-FPGA-Architektur von Microchip für den mittleren Leistungsbereich und bieten für verschiedene Anwendungen High-End-Sicherheit bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromverbrauchs um bis zu 50 Prozent. Der SoC FPGA verfügt über einen deterministischen RISC-V CPU-Cluster und ein deterministisches L2-Speicher-Subsystem für Linux-Kompatibilität sowie weitere Echtzeitanwendungen und bietet eine Bandbreite von 25k bis 460k LEs (Logikelemente). Nach dem Benchmark-Scoring-System CoreMark des Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EMBC) – im Prinzip eine einstellige Zahl, die die Gesamtfunktionalität eines Prozessorkerns widerspiegelt – liefern PolarFire SoC FPGAs im 25k LE-Bereich 5,5 CoreMarks bei 105W, während SRAM-basierte SoCs mit der gleichen Leistungsaufnahme null CoreMarks erzielen. PolarFire SoCs im Bereich von 100k und 460k LEs haben ähnliche Vorteile gegenüber ihren Konkurrenten auf der CoreMark-Skala. PolarFire SoCs sind eine sichere und energieeffiziente Lösung für verschiedene Anwendungen, die von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen bis hin zu Automotive- und Industrie-Implementierungen, einschließlich IoT und Industrial Internet of Things (IIoT), reichen.

MI-V-Entwicklungstools und Design-Support-Ressourcen

Effiziente und benutzerfreundliche Design-Tools sind entscheidend für die Entwicklung von RISC-V-basierten Systemen und beschleunigen die Markteinführung. Das Mi-V-Ökosystem beinhaltet die Librero SoC Design Suite für die Entwicklung mit PolarFire FPGAs und SoC FPGAs sowie anderen FPGAs. Das Mi-V-Ökosystem besteht aus der Eclipse-basierten integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) SoftConsole, einschließlich GCC-Compiler und Debugger. Librero und SoftConsole bieten alles, was ein Entwickler benötigt, um die RISC-V Soft-CPUs von Microchip Technology auf FPGAs zu portieren und Embedded-Firmware zu testen und zu debuggen.

Eine Vielzahl von Design-Support-Ressourcen wie beispielsweise Tutorials, Design-Beispiele, Datenblätter, Tools zur Leistungsabschätzung, White Papers, Webinare, Videos, Betriebssysteme von GreenHills, Mentor und WindRiver, Yocto und Buildroot Linux BSPs, Hart Software Services, eine Vielzahl von Middleware und andere Ressourcen ergänzen das MI-V-Ökosystem und verkürzen die Markteinführungszeit.

Fazit

RISC-V ist die nächste Stufe des Embedded Computing. Und bei der Entwicklung einer Komplettlösung für Anwendungsentwickler ist Microchip Technology führend. „Mit der Bereitstellung des branchenweit ersten RISC-V-basierten SoC-FPGAs sowie unseres Mi-V-Ökosystems treiben Microchip und seine Mi-V-Partner die Innovation im Embedded-Bereich voran und geben Entwicklern die Möglichkeit, eine völlig neue Klasse von stromsparenden Anwendungen zu entwickeln“, sagt Bruce Weyer, VP der FPGA-Business Unit bei Microchip Technology. „Dadurch können unsere Kunden wiederum in den Bereichen Kommunikation, Verteidigung, Medizin und Industrieautomation beispiellose Fähigkeiten im Edge-Bereich des Netzwerks hinzufügen.“