Vortex — offenes GPGPU auf Basis der RISC-V-Architektur, kompatibel mit OpenCL

Eine Gruppe von Forschern des Georgia Institute of Technology entwickelt das Forschungsprojekt Vortex, das ein offenes GPGPU auf Basis der RISC-V-Befehlssatzarchitektur anbietet, das auf die Ausführung von parallelen Berechnungen mit der OpenCL-API und dem SIMT-Ausführungsmodell (Single Instruction, Multiple Threads) abzielt sowie Forschungen im Bereich 3D-Grafik und die Entwicklung neuer GPU-Architekturen durchführt. Das Projekt befindet sich derzeit in der Prototyp-Phase, die mit FPGA arbeitet. Schaltpläne, Beschreibungen der Hardware-Komponenten in Verilog, Simulator, Treiber und begleitende Projektdokumentation werden unter der BSD-Lizenz verbreitet.

Im aktuellen Zustand wird eine Standard-ISA von RISC-V bereitgestellt, die um einige zusätzliche Anweisungen erweitert wurde, die zur Unterstützung von GPU-Funktionen und dem Thread-Management notwendig sind. Bei der Entwicklung haben die Autoren des Projekts versucht, die Änderungen an der RISC-V-Befehlssatzarchitektur auf ein Minimum zu reduzieren, indem sie möglichst vorhandene Vektor-Anweisungen verwendeten. Ein ähnlicher Ansatz wird auch im Projekt RV64X verfolgt, das ebenfalls eine offene GPU auf Basis von RISC-V-Technologien entwickelt.

Die Grafikverarbeitungsfähigkeiten von Vortex sind derzeit begrenzt. Es wurde die Unterstützung von OpenGL ES auf Basis von Vortex angekündigt, aber im aktuellen GPU ist bisher nur die Anweisung „tex“ zur Beschleunigung der Texturverarbeitung implementiert, die auf der Ebene des Fragment-Shaders erfolgt. Ein integrierter Rasterisierer fehlt — die gesamte Verarbeitung geometrischer Operationen erfolgt auf der Seite der System-CPU, während grundlegende Primitiven für Punkte, Linien und Dreiecke sowie die Verarbeitung von Fragmenten, Tiefe und Transparenz mit Hilfe des OpenCL-Kerns implementiert sind.

In Zukunft ist geplant, grafikverarbeitungs-spezifische ISA-Erweiterungen zu implementieren, die Unterstützung von CUDA- und Vulkan-APIs hinzuzufügen sowie Erweiterungen zur Beschleunigung von Maschinenlern- und Datenanalyse-Systemen einzuführen. Für die Anwendungsentwicklung wird ein Toolkit angeboten, das angepasste PoCL-Varianten (Compiler und Laufzeit für OpenCL), LLVM/Clang, GCC und Binutils umfasst. Die Simulation des Chipbetriebs wird mit Verilator (Verilog-Simulator) und SimX (Software-Simulation) unterstützt.

Haupmerkmale von Vortex:

• Unterstützung der RISC-V Befehlssatzarchitektur RV32IMF.
• Skalierung des Chips auf bis zu 64 Kerne mit optionalen L2- und L3-Caches.
• Jeder Kern kann 1024 Threads ausführen und arbeitet mit einer Frequenz von 250 MHz.
• Die maximale Rechenleistung wird auf 128 Gflops geschätzt, und die Speicherbandbreite beträgt 16 GB/s. Eine 32-Kern-Implementierung, die mit 200 MHz arbeitet, basierend auf FPGA Altera Stratix 10, zeigte eine Leistung von 25,6 GFlops.
• Unterstützung des Standards OpenCL 1.2.
• Möglichkeit der Implementierung auf Basis von FPGA Intel Arria 10 und Intel Stratix 10.

Quelle: opennet.ru