前高通工程師打造全球首款RISC-V區(qū)塊鏈芯片

不久前才成立的非營利組織OpenSingularity基金會(OpenSingularity Foundation)宣稱即將開發(fā)出世界上第一款區(qū)塊鏈(blockchain)芯片以及超可擴展的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)(IoT)網(wǎng)路，從而打造「智能機器經(jīng)濟」(intelligent machine economy)。該組織最近還吸收了幾位前高通(Qualcomm)的工程師，共同開創(chuàng)這款芯片和生態(tài)系統(tǒng)。

OpenSingularity基金會發(fā)布了一項「天網(wǎng)工程」(Skynet project)計劃，構(gòu)想了一個如同電影《終結(jié)者》(Terminator)片中情景般的智能機器網(wǎng)路，利用區(qū)塊鏈、IoT和人工智能(AI)建構(gòu)一個安全可靠的設(shè)備網(wǎng)路，使其得以智能且自主地進行大規(guī)模通訊。該組織表示，這將使數(shù)十億互連的可辨識IoT設(shè)備輕松地加入由自組AI網(wǎng)路驅(qū)動的全球機器對機器(M2M)經(jīng)濟以及由區(qū)塊鏈提供的資料完整性，為設(shè)備辨識、確保安全分散的小額支付和可靠的通訊提供解決方案。

該計劃的目的在于開發(fā)基于RISC-V架構(gòu)的核心芯片，預(yù)計在2019年12月推出核心FPGA，并于12個月后推出核心SoC。根據(jù)該組織于官網(wǎng)發(fā)布的時間表，希望能在2022年8月之前部署「數(shù)十億」個連接設(shè)備。

就在上個月，OpenSingularity招聘了兩位前高通工程師。接管其工程總監(jiān)一職的Srinivasa Rao Nagaram曾任高通工程總監(jiān)，他曾經(jīng)協(xié)助推動驍龍(Snapdragon)處理器的誕生。OpenSingularity表示，由于Nagarajam在SoC設(shè)計、軟件支持和端對端產(chǎn)品商業(yè)化方面的專業(yè)知識，因而獲邀加入OpenSingularity。

另一位曾經(jīng)在高通工作了22年的資深工程師Venkat Tangirala則加入OpenSingularity擔(dān)任生態(tài)系統(tǒng)總監(jiān)。Tangirala在高通時曾經(jīng)協(xié)助完成5G基帶的開發(fā)任務(wù)。

高通工程副總裁Carl Shi也在本月加入OpenSingularity的董事會。該團隊的其他幾名成員分別來自高通、阿里巴巴(Alibaba)、Google Ventures、三星(Samsung)和摩托羅拉(Motoriola)。

Skynet核心

Skynet計劃的心臟是Skynet核心，這是一款可為區(qū)塊鏈和AI應(yīng)用建置最優(yōu)化SoC的專用芯片。它最終將使用32位元或64位元的RISC-V核心，并包含專利申請中的技術(shù)，以提供特定的區(qū)塊鏈元件：硬件加密貨幣錢包用于安全密鑰管理和自動權(quán)限系統(tǒng)以及AI身份驗證；芯片上SHA-256哈希加速器，用于確定資料完整性；以及自動交易簽名，讓所有的區(qū)塊鏈互動脈絡(luò)清楚可尋。

它還將包括一款神經(jīng)處理器(NPU)作為設(shè)備的大腦，以實際的吞吐量和功率預(yù)算執(zhí)行具有人類精度的分類任務(wù)。不過，該基金會并未進一步說明其細節(jié)，但將為NPU進行最佳化，以加速目前各種類型的神經(jīng)網(wǎng)路演算法，包括DNN、CNN和RNN。

Skynet核心將以免授權(quán)的模式發(fā)布，讓SoC制造商構(gòu)建芯片并搭配其解決方案。該基金會還表示，為了支持基于深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的智能設(shè)備，該芯片的高端版本還將包含張量處理器(TPU)和張量處理器陣列。這些都將允許有效地執(zhí)行復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)AI模型。

基于Skynet核心的典型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在其長達80頁的白皮書中，OpenSingularity展示了該核心的愿景和細節(jié)，期望這款模組化區(qū)塊鏈SoC最終將在IoT芯片組市場成為足以挑戰(zhàn)Arm的競爭替代方案。所有的Skynet核心設(shè)備最初將配備硬件錢包，讓設(shè)備能以安全的虛擬貨幣硬件錢包使用區(qū)塊鏈和加密貨幣，「并以芯片大腦實現(xiàn)AI身份驗證以及仿人類智能的功能」。

使用該核心的所有設(shè)備都具有備智能化的能力，而且也能利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。這將使IoT設(shè)備適用于自動駕駛車、智慧城市和智能手機等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。所有人都能透過Skynet開放網(wǎng)路(SON)進行連接，OpenSingularity稱這是一個可擴展的IoT無限鏈鎖平臺。

SON將使這些設(shè)備能在幾毫秒內(nèi)交易價值、在整個網(wǎng)路上部署演算法、訓(xùn)練重要的私人資料，并以安全的方式找到彼此，以及利用比特幣或乙太網(wǎng)路等任何其他網(wǎng)路，并從其KnowledgeNet中學(xué)習(xí)，包括AWS和Imagenet等改善的基礎(chǔ)設(shè)施。

RISC-V的計劃

OpenSingularity表示，為了支持現(xiàn)代Linux作業(yè)系統(tǒng)(如Ubuntu)而使SON區(qū)塊鏈得以執(zhí)行，它將在Skynet核心中加入一組模組化處理器。該公司表示，Arm處理器的精簡指令集(RISC)架構(gòu)實現(xiàn)了簡單的設(shè)計、快速的時脈速率、小型芯片尺寸和高效的記憶體利用、專家設(shè)計的支持以及主導(dǎo)的軟件工具。其產(chǎn)品系列還采用了全系統(tǒng)的TrustZone安全方法。

Skynet計劃最初將針對整合來自Arm的處理核心，包括低功耗嵌入式應(yīng)用的Arm Cortex-M系列處理核心，以及高端應(yīng)用的Arm Cortex-A 64位高性能處理器系列，以實現(xiàn)低功耗和小占位面積。該生態(tài)系統(tǒng)還提供了先進的微控制器(MCU)匯流排架構(gòu)(AMBA)，以互連多個周邊設(shè)備(IO、協(xié)同處理器和記憶體控制器等)。此外，多家供應(yīng)商可為各種制程節(jié)點提供可靠的周邊設(shè)備。

一開始，透過Arm的廣泛滲透也很重要，因為它提供了一個經(jīng)驗證的社群，可支持開機加載程序等整個軟件堆疊、核心、驅(qū)動程序、工具庫、應(yīng)用和軟件開發(fā)工具等，如編譯器、分析器和除錯器。

盡管如此，OpenSingularity表示，隨著RISC-V開源指令集架構(gòu)(ISA)日益成熟，該公司正致力于為開發(fā)基于此ISA的客戶定制處理器探索其他替代方案以及周遭生態(tài)系統(tǒng)。該公司表示，相較于Arm處理器(BOOMv2 vs ARM Cortex-A9)，RISC-V核心的最新架構(gòu)顯示可實現(xiàn)更小芯片尺寸與更高性能的理想結(jié)果。

OpenSingularity在其論文中評論說：「RISC-V可提供取代Arm的理想替代方案，帶來一個極具成本效益的Skynet核心，因為它無需像Arm一樣的授權(quán)費用，這種節(jié)省成本的作法可望造福SoC制造商并成為加速其采用的動力。我們將監(jiān)控RISC-V生態(tài)系統(tǒng)擴展的進展，并決定哪一款CPU核心可作為Skynet核心的基礎(chǔ)?！?/p>

該公司還計劃透過與SoC制造商合作，依據(jù)特定應(yīng)用的需求開發(fā)整個整合堆疊，從而加速開發(fā)完整的軟件堆疊。

Arm vs. RISC-V架構(gòu)

該基金竭盡全力地為其區(qū)塊鏈IoT芯片評估Arm與RISC-V架構(gòu)的特性。

采用RISC架構(gòu)的Arm旨在實現(xiàn)固定長度、簡單但功能強大的指令，以高時脈速度執(zhí)行單個周期。該架構(gòu)基于許多原則，以實現(xiàn)簡單的設(shè)計和快速的時脈速率。管線設(shè)計在一個階段中解碼而無需要微碼(microcode)，并為快速執(zhí)行指令定義了大量的通用暫存器。Arm采一種資料處理指令僅適用于暫存器的加載/儲存架構(gòu)，而加載/儲存方案則用于從記憶體傳輸資料。

然而，這與純粹的RISC存在一些差異。Arm的某些指令采用可變周期執(zhí)行，例如多暫存器加載/儲存，以實現(xiàn)更快和更高的程序代碼密度。內(nèi)建桶式移位器可提高性能和代碼密度，但也導(dǎo)致了更復(fù)雜的指令。Thumb 16位元指令集可以提高約30%的程序代碼密度。條件執(zhí)行透過減少分支以提高性能和程序代碼密度，并為DSP操作添加了一些增強指令。

該基金會并補充說，現(xiàn)有的ISA，如x86/x64，是專有且非常復(fù)雜的，但其細節(jié)經(jīng)常隱藏在冗長的手冊中，ISA的一些細節(jié)其甚至根本沒有公開。此外，廣泛使用的ISA已存在多年，而且其設(shè)計經(jīng)常被延用，以支持后向相容性。專有的ISA由英特爾(Intel)和Arm等公司實體所擁有、管理和控制。

為了解決這些問題，加州大學(xué)柏克萊分校提出了RISC-V計劃。RISC-V采用的開放來源途徑意味著許多不同的公司可以提供RISC-V架構(gòu)的硬件方案。建立一個讓多家供應(yīng)商可以競爭建置單一ISA的生態(tài)系統(tǒng)，可望帶來許多好處，這些在其他開放來源計劃中可見一斑。OpenSingularity補充說，RISC-V旨在建立一個現(xiàn)代的ISA，其中包含處理器設(shè)計的最新想法?，F(xiàn)代ISA力求比傳統(tǒng)的ISA更精簡、更實用，而且還能適應(yīng)快速的硬件建置。

它認為，IoT應(yīng)用中的許多嵌入式處理器需要的是便宜、可靠且簡單，但不一定要求速度、支持作業(yè)系統(tǒng)、多核心或支持64位元操作。另一方面，它還發(fā)現(xiàn)有一些應(yīng)用也需要具有多核心和64位元操作的處理器。

OpenSingularity之所以選擇RISC-V是因為它能夠在ISA中加進一些選項，以實現(xiàn)各種設(shè)計選擇。在這方面，該基金會補充說RISC-V實際上并不是單一的ISA，而是更多相關(guān)ISA的組合。

RISC-V提供了三種基本整數(shù)ISA：RV32I、RV64I和RV128I，分別用于32位元、64位元和128位元位址寬度。為硬件整數(shù)作業(yè)提供了40個固定32位元寬度的指令，以及幾個標準擴展，包括一個僅有16個暫存器的嵌入式處理器。

壓縮的指令集將常規(guī)的32位元指令壓縮為16位元，類似于Arm針對嵌入式應(yīng)用的Thumb指令集，這將有助于縮減程序代碼的大小，以提高處理器性能——因為它允許更多指令快取，因而縮減了從主處理器獲取指令的時間(這部份通常造成性能瓶頸）。