RISC-V adopte l'IA et le ML avec une carte de développement de vision/audition artificielles 64 bits double cœur

RISC-V est la nouvelle référence des dernières innovations liées aux cœurs 32 bits. Mais cette fois, l'environnement technique est différent. Les innovations récentes des divers fabricants en matière de cœurs se sont concentrées sur le marché établi des microcontrôleurs à usage général, avec des périphériques génériques axés sur les applications automobiles difficiles. Toutefois, le paysage des solutions embarquées d'aujourd'hui est centré sur les points d'extrémité Internet des objets (IoT) ciblant les systèmes d'edge computing industriels sophistiqués. Au lieu de se contenter d'interfaces série et de temporisateurs génériques, les nouveaux microcontrôleurs RISC-V prennent également en charge des périphériques sophistiqués, notamment des moteurs d'inférence pour l'intelligence artificielle (IA) et des capacités d'apprentissage automatique (ML ou Machine Learning).

Cependant, RISC-V présente d'autres avantages qui vont au-delà de l'évolution du marché et des exigences techniques. Avant d'entrer dans le vif du sujet, revenons rapidement sur le chemin parcouru.

Bref historique de l'innovation liée aux microcontrôleurs

Le marché des microcontrôleurs embarqués connaît une révolution tous les deux ou trois ans. Ces révolutions se produisent de manière irrégulière et découlent non seulement des besoins du marché en termes de performances et de fonctionnalités, mais aussi des aspects commerciaux de l'industrie. En commençant avec le vénérable 8051, le marché des microcontrôleurs 8 bits a dominé les systèmes embarqués dans presque tous les domaines, notamment l'automobile, les jeux et les appareils électroménagers. À ce jour, le microcontrôleur ultrabasse consommation de 8 bits est encore omniprésent, et même le 8051 continue de générer des chiffres impressionnants (nous y reviendrons).

Le microcontrôleur 16 bits a longtemps occupé une place de choix entre performances et basse consommation, et il constitue encore aujourd'hui un marché incompris pour de nombreux fournisseurs en dehors des acteurs établis. Puis, les processeurs 32 bits ont fait leur apparition. Ils sont devenus importants en dehors des ordinateurs personnels, et diverses architectures propriétaires ont vu le jour pendant la guerre des cœurs dans les années 1990 et au début des années 2000.

Arm a mis fin à la guerre des cœurs 32 bits. Grâce à la grande variété de fournisseurs, tous plus ou moins unis sous une architecture commune, les clients ont été les grands gagnants, car ils ont pu facilement changer de fournisseurs sans devoir déployer des efforts considérables pour transférer leur code, un avantage par rapport aux architectures propriétaires.

RISC-V réduit vraiment le jeu d'instructions

Pendant longtemps, RISC-V n'a pas fait grand bruit en termes de parts de marché, principalement parce qu'il n'y avait pas de réel besoin perçu sur le marché quant à une nouvelle architecture de jeu d'instructions (ISA) 32 bits. Cependant, tous les ingénieurs ayant étudié l'architecture centrale de RISC-V ont été immédiatement impressionnés.

RISC signifie historiquement Reduced Instruction Set Core/Computer (ordinateur/cœur à jeu d'instructions réduit), ce qui veut dire littéralement que le système ne possède que les instructions minimales nécessaires pour effectuer des opérations utiles. Depuis, la plupart des architectures désormais étiquetées RISC se sont éloignées de cette définition, avec tellement d'instructions complexes que les ingénieurs regardent maintenant cette étiquette avec un certain scepticisme. Mais l'architecture ISA RISC-V reste si fidèle à cette définition que l'on peut presque entendre Dark Vador entonner clairement : « Impressionnant. Très impressionnant. »

L'architecture RISC-V 32 bits de base possède 32 registres de cœurs 32 bits, x0 à x31. Parmi eux, 31 sont à usage général, tandis que le registre x0 est câblé à zéro. En examinant de plus près le jeu d'instructions RISC-V, on comprend le bien-fondé de x0 = 0 et la raison pour laquelle x0 est un opérande nécessaire pour de nombreuses instructions qui permettent en fait de réduire le jeu d'instructions. Mais gardons cette histoire pour une autre fois.

L'industrie des semi-conducteurs est une industrie mondiale avec de nombreuses interdépendances saines, mais aujourd'hui, les fournisseurs de semi-conducteurs, pour des raisons à la fois évidentes et subtiles, veulent garder le contrôle sur leurs produits, ce qui implique de revoir les accords de licence coûteux et les sources de propriété intellectuelle (IP) qui sont vendues et revendues. C'est ce qui fait de RISC-V une architecture ISA libre de droits, open-source et personnalisable : la bonne architecture au bon moment de l'histoire. À tel point que DigiKey met en avant RISC-V sur son site EDU avec un livre électronique sur RISC-V (intitulé Academic Components Reference Guide: RISC-V), qui présente aux développeurs novices et expérimentés les kits d'évaluation et les outils RISC-V. Grâce à ces outils, les développeurs qui n'ont aucune expérience avec l'architecture peuvent rapidement se familiariser avec le modèle de programmation et l'ISA RISC-V.

RISC-V : un puissant cœur pour IA et ML

Alors que le lancement d'une nouvelle architecture ISA sur le marché se fait généralement avec des microcontrôleurs à usage général et une carte d'évaluation dotée de LED clignotantes, RISC-V s'intéresse directement à l'intelligence artificielle et à l'apprentissage automatique. Seeed Technology, par exemple, permet l'apprentissage automatique avec la carte de développement Seeed 110991190 Sipeed Maix-BiT basée sur RISC-V RV64I, une architecture ISA de données et d'adresses 64 bits avec des registres de cœurs 64 bits x0 à x31 (Figure 1).

Figure 1 : La carte de développement Sipeed Maix-BiT de Seeed Technology est basée sur RISC-V RV64GC double cœur et cible les applications d'apprentissage automatique et de vision artificielle. (Source de l'image : Seeed Technology)

Comme abordé dans le livre électronique sur RISC-V de DigiKey (à partir de la page 5), le format compact et les hautes performances de cette carte la rendent adaptée aux applications IoT de traitement en périphérie

Le processeur de la carte Sipeed Maix-BiT est un système sur puce (SoC) à microcontrôleur RV64GC double cœur, où le suffixe G indique la prise en charge des extensions à usage général pour la multiplication et la division matérielles, la prise en charge des instructions de mémoire de lecture/modification/écriture et la prise en charge de la virgule flottante à simple et double précision. Le suffixe C indique que le microcontrôleur prend en charge les instructions comprimées 16 bits, utiles pour écrire du code compact. Le microcontrôleur peut accéder à 6 mébioctets (Mio) de mémoire SRAM embarquée à usage général, ainsi qu'à 128 mégabits (Mb) de mémoire Flash programme externe. Il s'agit d'une puissance de traitement impressionnante pour une architecture ISA relativement récente et d'une mémoire suffisante pour les applications d'edge computing complexes.

Ce qui rend le microcontrôleur RV64GC double cœur très impressionnant, c'est son processeur de réseau neuronal IA à usage général intégré, conçu pour détecter les visages et les objets en temps réel. Le processeur IA dispose de 2 Mio de SRAM dédiée pour effectuer des opérations d'IA. Cela fournit une quantité impressionnante de puissance de traitement accessible par toute personne ayant des compétences moyennes en programmation de microcontrôleurs.

La carte Sipeed Maix-BiT inclut un logement de carte micro SD pour étendre la mémoire Flash. Un microphone MEMS (microsystème électromécanique) peut être utilisé avec l'unité IA pour les applications d'audition artificielle, notamment les systèmes complexes de reconnaissance vocale et de reconnaissance du bruit. Le kit inclut également une caméra externe qui se branche sur un connecteur de caméra DVP sous la carte. Cela simplifie les applications complexes de vision artificielle, un avantage dans les systèmes de traitement périphérique IoT.

La carte dispose également d'une interface USB-C pour la programmation et le débogage, qui communique avec le RV64GC double cœur via une puce USB-vers-UART. Un connecteur supplémentaire est disponible pour l'écran LCD externe inclus. Cela permet un retour visuel pendant le développement du programme. Il peut également être utilisé dans l'application pour le retour utilisateur.

Conclusion

Le chemin a été long depuis l'époque du microcontrôleur 8 bits. L'architecture ISA RISC-V trouvera-t-elle sa place aux côtés d'Arm sur un marché où règne une concurrence saine ? Avec tout l'intérêt porté à RISC-V et aux cartes de développement avancées comme celles dont nous avons parlé ici, il semble certain que RISC-V a pris suffisamment d'ampleur pour se faire une place sur le marché, mais c'est un autre débat. Pour le moment, avec des offres comme le 110991190 Sipeed Maix-BiT de Seeed, sa progression semble assurée dans les applications IoT et IA/ML en périphérie.

Ah, une dernière chose. Preuve de l'omniprésence des microcontrôleurs 8 bits, le circuit intégré d'interface LCD et le circuit intégré USB-UART CH552 sur la carte de développement sont tous les deux des microcontrôleurs 8 bits pré-programmés. Et le CH552 n'est autre qu'un vénérable 8051.