RISC-V setzt mit einem Dual-Core-64-Bit-Entwicklungsboard für maschinelle Bild-/Sounderfassung auf KI und ML

RISC-V ist der jüngste Beitrag zu einem Wiederaufleben der Innovation bei 32-Bit-Kernen. Aber dieses Mal ist es eine andere technische Umgebung. Die jüngsten Kerninnovationen und der Wettbewerb konzentrierten sich auf den etablierten Markt für Allzweck-Mikrocontroller, wobei sich die generischen Peripheriegeräte auf robuste Automobilanwendungen konzentrierten. Die heutige Embedded-Landschaft konzentriert sich jedoch auf IoT-Endpunkte (IoT: Internet of Things, Internet der Dinge), die auf anspruchsvolle industrielle Edge-Computing-Systeme ausgerichtet sind. Die neuesten RISC-V-Mikrocontroller unterstützen nicht nur allgemeine Timer und serielle Schnittstellen, sondern auch hochentwickelte Peripheriekomponenten, darunter Inferenz-Engines für künstliche Intelligenz (KI) und Funktionen für maschinelles Lernen (ML).

RISC-V hat jedoch zusätzliche Vorteile, die über die sich entwickelnden Markt- und technischen Anforderungen hinausgehen. Bevor wir uns damit befassen, sollten wir einen kurzen Blick darauf werfen, woher wir gekommen sind.

Eine sehr kurze Geschichte der Mikrocontroller-Innovation

Der Markt für eingebettete Mikrocontroller erlebt alle paar Jahre eine Revolution. Diese treten in unregelmäßigen Abständen auf und werden nicht nur durch die Anforderungen des Marktes an Leistung und Funktionen, sondern auch durch die wirtschaftlichen Aspekte der Branche bestimmt. Beginnend mit dem ehrwürdigen 8051 dominierte der 8-Bit-Markt eingebettete Systeme in fast allen Bereichen, einschließlich Automobilen, Spielen und Haushaltsgeräten. Auch heute noch sind 8-Bit-Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch allgegenwärtig, und selbst der 8051 erzielt weiterhin beeindruckende Zahlen (dazu später mehr).

Der 16-Bit-Mikrocontroller befindet sich seit langem im Idealbereich zwischen niedrigem Stromverbrauch und Leistung, und bis heute ist er für viele Anbieter außerhalb der etablierten Unternehmen ein verkannter Markt. Dann kamen die 32-Bit-Prozessoren. Diese wurden außerhalb von Personalcomputern mit einer Vielzahl von proprietären Architekturen während der Kernkriege in den 1990er und frühen 2000er Jahren bedeutend.

Arm hat die 32-Bit-Core-Kriege beigelegt. Durch die große Vielfalt an Anbietern, die alle lose unter einer gemeinsamen Architektur vereint sind, waren die Kunden die Gewinner, da sie problemlos den Anbieter wechseln konnten, ohne einen erheblichen Aufwand für die Portierung ihres Codes betreiben zu müssen - ein Vorteil gegenüber proprietären Architekturen.

RISC-V reduziert den Befehlssatz

Lange Zeit lag der Marktanteil von RISC-V knapp unter der Wahrnehmungsgrenze, vor allem weil kein wirklicher Bedarf für eine neue 32-Bit-Befehlssatzarchitektur (ISA) gesehen wurde. Jeder Ingenieur, der sich die Kernarchitektur des RISC-V ansah, war jedoch sofort beeindruckt.

RISC bedeutet historisch gesehen „Reduced Instruction Set Core/Computer“, was wörtlich bedeutet, dass er nur über die minimale Anzahl an Befehlen verfügt, die für die Durchführung nützlicher Operationen erforderlich sind. Seit diesen Anfängen sind die meisten Architekturen, die heute als RISC bezeichnet werden, von dieser Definition abgewichen und enthalten so viele komplexe Befehle, dass die Ingenieure die Bezeichnung inzwischen mit einigem Zynismus betrachten. Aber der RISC-V-Befehlssatz bleibt dieser Definition so treu, dass wir fast die Stimme von James Earl Jones in unserem Kopf hören können, der deutlich sagt: „Beeindruckend. Sehr beeindruckend“.

Der grundlegende 32-Bit-RISC-V hat 32 32-Bit-Kernregister, x0 bis x31. 31 davon sind universell einsetzbar, während das Register x0 fest auf Null verdrahtet ist. Wenn Sie sich eingehender mit dem RISC-V-Befehlssatz befassen, können Sie die Weisheit von x0 = 0 erkennen und warum x0 ein notwendiger Operand für viele Befehle ist, die den reduzierten Befehlssatz, nun ja, reduziert halten. Aber das ist eine Geschichte für ein anderes Mal.

Die Halbleiterindustrie ist eine globale Branche mit vielen gesunden Wechselbeziehungen, aber aus offensichtlichen und subtilen Gründen wollen die Halbleiterlieferanten mehr Kontrolle über ihre Produkte behalten, was auch bedeutet, dass sie kostspielige Lizenzvereinbarungen und Quellen für geistiges Eigentum, die verkauft und weiterverkauft werden, überdenken. Dies macht RISC-V zu einem anpassbaren, quelloffenen und lizenzfreien Befehlssatz, der richtigen Architektur zur richtigen Zeit in der Geschichte. So sehr, dass DigiKey RISC-V auf seiner EDU-Site mit einem RISC-V-eBook ehrt, dem „Referenzhandbuch für akademische Komponenten: RISC-V“, das Anfängern und erfahrenen Entwicklern eine Einführung in RISC-V-Tools und Evaluierungskits gibt. Mit diesen Werkzeugen können sich Entwickler, die noch keine Erfahrung mit der Architektur haben, schnell mit dem RISC-V-Programmiermodell und dem Befehlssatz vertraut machen.

RISC-V: Leistungsstarker Kern für KI/ML

Normalerweise wird eine neue Befehlssatz-Architektur mit Allzweck-Mikrocontrollern auf den Markt gebracht, zusammen mit einem Evaluierungsboard mit hübsch blinkenden LEDs. RISC-V geht jedoch direkt in Richtung KI und ML. Seeed Technology beispielsweise ermöglicht ML mit dem Sipeed-Maix-BiT-Entwicklungsboard Seeed 110991190, das auf dem RISC-V RV64I basiert, einem 64-Bit-Adress- und -Daten-ISA mit 64-Bit-Kernregistern x0 bis x31 (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Sipeed-Maix-BiT-Entwicklungsboard von Seeed Technology basiert auf einem Dual-Core-RISC-V RV64GC und zielt auf Anwendungen für maschinelle Bilderfassung und maschinelles Lernen. (Bildquelle: Seeed Technology)

Wie in Digi-Keys RISC-V-eBook (ab Seite 5) beschrieben, eignet sich dieses Board aufgrund seiner geringen Größe und hohen Leistung für IoT-Anwendungen mit Prozessverarbeitung am Netzwerkrand.

Der Kernprozessor für das Sipeed-Maix-BiT-Board ist ein Dual-Core-Mikrocontroller-SoC RV64GC (SoC: System-on-Chip), bei dem das G-Suffix die Unterstützung für allgemeine Erweiterungen der Hardware-Multiplikation und -Division, atomare Lese-Änderungs-Schreib-Speicherbefehle und die Unterstützung für einfaches und doppeltes Gleitkomma angibt. Das C-Suffix zeigt an, dass der Mikrocontroller komprimierte 16-Bit-Befehle unterstützt, was für das Schreiben von kompaktem Code nützlich ist. Der Mikrocontroller kann auf 6 Mebibyte (MiB) universellen On-Chip-SRAM zugreifen, zusätzlich zu 128 Megabit (Mbit) externem Programm-Flash-Speicher. Das ist eine beeindruckende Rechenleistung für einen relativ neuen ISA und ausreichend Speicher für komplexe Edge-Computing-Anwendungen.

Der Dual-Core-Mikrocontroller RV64GC besticht vor allem durch einen On-Chip-Allzweckprozessor für neuronale Netze, der Gesichter und Objekte in Echtzeit erkennen kann. Der KI-Prozessor verfügt über 2 MiB dedizierten SRAM für die Durchführung von KI-Operationen. Dies bietet eine beeindruckende Menge an Verarbeitungsleistung, die für jeden mit moderaten Mikrocontroller-Programmierkenntnissen zugänglich ist.

Das Sipeed-Maix-BiT-Board verfügt über einen Micro-SD-Kartensteckplatz zur Erweiterung des Flash-Speichers. Ein eingebautes MEMS-Mikrofon kann zusammen mit der KI-Einheit für maschinelle Höranwendungen, einschließlich komplexer Sprach- und Geräuscherkennungssysteme, verwendet werden. Das Kit enthält auch eine externe Kamera, die in eine DVP-Kamerabuchse (DVP: Digital Video Port) auf der Unterseite der Platine eingesteckt wird. Dies erleichtert komplexe Bildverarbeitungsanwendungen, was bei IoT-Edge-Verarbeitungssystemen von Vorteil ist.

Das Board verfügt außerdem über eine USB-C-Schnittstelle für Programmierung und Debugging, die über einen USB-zu-UART-Chip mit dem Dual-Core RV64GC verbunden ist. Dazu gibt es noch einen Anschluss für das mitgelieferte externe LCD-Display. Dies ermöglicht ein visuelles Feedback während der Programmentwicklung und kann auch in der Anwendung für Benutzerfeedback verwendet werden.

Fazit

Seit den Tagen des 8-Bit-Mikrocontrollers wurde ein langer Weg zurückgelegt. Wird die RISC-V-ISA ihren Platz neben Arm in einem Markt mit gesundem Wettbewerb einnehmen? Bei all dem Interesse an RISC-V und fortschrittlichen Entwicklungsboards wie dem hier besprochenen scheint es sicher, dass RISC-V genug Schwung hat, um sich auf dem Markt durchzusetzen, aber das ist eine umfangreichere Diskussion. Im Moment scheint es mit Angeboten wie dem 110991190 Sipeed Maix-BiT von Seeed sicher zu sein, dass er sich in IoT- und KI/ML-Anwendungen am Netzwerkrand durchsetzen wird.

Ach, noch etwas. Um die Allgegenwart der 8-Bitter zu unterstreichen, sind sowohl der LCD-Interface-IC als auch der USB-zu-UART-IC CH552 auf dem Entwicklungsboard vorprogrammierte 8-Bit-Mikrocontroller. Und der CH552 ist eigentlich ein altehrwürdiger 8051.