RISC-V处理器优化，不可依赖于放之四海而皆准的方法

随着对高性能处理器的需求不断增长，半导体的缩放定律不断显示其极限，对处理器的优化需求变得不可避免。正如我在之前的博客中解释的那样，RISC-V的设计就是为了实现这一点。然而，在处理器优化方面没有一个放之四海而皆准的方法。由于每个工作负载和应用程序都有自己的要求，因此优化方法也因个体而异。我们可以在不同的层面上修改处理器IP，每一种都有自己的优势。在这篇博文中，让我们来定义和探索处理器优化的不同层次。从配置到定制，如何使用它们来创建满足特定要求的优化过的品质处理器。

首先定义三个不同级别的处理器优化，它们有着不同的优势和使用场景。所有三个级别不但不相互排斥，还可以将三者结合起来，以实现PPA目标。

3 levels of processor customization. Source: Codasip

配置：将标准内核的RTL参数设置为预先定义的值

每个处理器IP都有一套可调整的、预先定义的参数。它们在交付时有一个默认值，该默认值可以修改并设置为特定用例所需的值。大家通常可以在RTL级别设置并轻松修改这些参数。这种级别的优化在业界非常普遍，而且广泛传播。这些参数可能包括中断次数，是否存在简单的功能或缓存的大小等。

在RTL级别的调整对于任何处理器IP来说都是可以预期的，并且可以通过Codasip以RTL形式提供的标准Codasip RISC-V核来实现。该IP是经过完全验证的，简化后的集成，但是参数的范围和可能的值是有限的，探索空间也相对有限。

虽然这些参数是必要的，但不足以为特定需求创造一个真正独特的差异化产品。原因是它们既是有限的选项集，同时也是在RTL层面的实现的，而RTL级别的实现是难以参数化的，这在业界众所周知。因此，配置只能给予对最终设计的有限控制。

高级配置：结构性变化以适应设计

除了配置之外，还有高级配置可以运用。在高级别配置上，这个概念看起来很相似。但我们的想法是启用更大、更复杂的参数，从而得到明显差异化的RTL 。配置选项的例子包括：

1. 缓存和TCM的增加

2. 浮点单元的存在

3. 或分支预测器的存在

这种灵活性对于处理器IP来说虽然不太常见，但是可以使用Codasip IP来实现。所有的Codasip RISC-V内核都是用一种叫做CodAL的高级语言设计的，并且可以用Codasip Studio设计自动化进行配置。只需从配置器GUI中选择高级参数，该工具就会自动生成只包含自定义优化配置的RTL。

处理器的CodAL源代码可向用户提供所有选项。然后，Codasip Studio工具将CodAL合成为RTL。

Codasip提供大量的CodAL配置选项，也意味着客户不需要任何关于CodAL的具体知识（尽管这种类似C语言的编程语言很简单和直接）。这中方法为实现特定应用定制产品提供了保证。并完全可以从同一个源代码中同时优化硬件和软件。

定制：更深层次的处理器IP优化 

更深层次的IP优化实际上是设计师对IP的修改，以便为目标应用获得更高的效率性能。这是定制计算的领域，也是Codasip提供的具有竞品优势的解决方案。其他IP供应商可能会宣称处理器也可以进行定制，但如果没有自动化设计流程，这种期待只能停留在理论上，而且可定制范围非常有限。

Codasip RISC-V内核的定制意味着对IP进行细粒度的修改，能够在架构和微架构层面上修改需要的任何东西。可以增加或删除指令，改变寄存器集或增加全新的功能或接口，而不仅仅是修改现有的参数。CodAL语言的使用使这些修改变得快速而简单。Codasip Studio的分析功能指出了需要改进的潜在领域，并能非常快速地反馈应用程序在这些修改后的表现，这对快速迭代和获得最佳结果至关重要。

Automated approach to custom compute. Source: Codasip

而从一个经过完整验证的RISC-V内核开始，也使这个定制过程变得更快，并可以大大减少验证工作，而验证环节通常是设计项目中最耗时的任务。在Codasip Studio中用CodAL对Codasip RISC-V内核进行全面优化，是为应用获得定制计算的一种实用方法。它最大的优势在于整个设计流程是自动化的，而且该工具会自动生成一个SDK和HDK，这些SDK和HDK并已知与定制内核相匹配的相关。而不需要手动来创建一切!

处理器优化案例

可以想象一下，如果想为特定的机器学习工作负载优化一个处理器，以卷积神经网络（CNN）为例。

随着向设备级人工智能处理的重要转变，在为物联网应用选择SoC或MC时，运行人工智能/机器学习任务的能力成为必须具备的条件。但是嵌入式设备通常受到资源限制，因此很难在嵌入式平台上运行人工智能算法。

使用Codasip L31 RISC-V内核和Codasip Studio，我们可以探索和定制处理器设计，以提高其运行机器学习算法时的效率。Codasip Studio中包含的剖析工具使设计者能够比较标准内核和优化内核的性能，突出神经网络定制指令的好处。

Our approach to processor optimization for ML workloads (use case). Source: Codasip

Codasipde的方法是在不同的层次上对处理器进行调整：

我们为ML工作负载优化处理器的Codasip方法（使用案例）：高级配置和定制 

通过对图像识别的基准应用进行分析，我们用Codasip Studio工具证实，图像卷积是一个主要的瓶颈，占用了89%以上的CPU时间。不到200行的CodAL代码足以实现一个紧密集成在Codasip L31内核的卷积加速器。在对最大频率影响不到10%的情况下，这种修改提供了大于5倍的性能提升和小于3倍的能耗。Codasip Studio自动生成一个优化的编译器，在不改变软件的情况下实现了效率的提高！

如果您对神经网络加速器技术白皮书感兴趣，请移步该链接下载英文原版：https://codasip.com/papers/compact-nn-accelerator-in-codal-technical-paper/

各种处理器优化方法相结合以求最佳结果

正如我们所说，在处理器优化方面没有一个放之四海而皆准的方法。处理器IP修改可以在不同层面进行，每个层面都可以带来不同的优势。这种组合的相结合则能协助客户在开发独特产品时实现最佳的PPA目标。

审核编辑 ：李倩