不久前才成立的非營利組織OpenSingularity基金會(OpenSingularity Foundation)宣稱即將開發出世界上第一款區塊鏈(blockchain)晶片以及超可擴展的區塊鏈物聯網(IoT)網路,從而打造「智慧機器經濟」(intelligent machine economy)。該組織最近還吸收了幾位前高通(Qualcomm)的工程師,共同開創這款晶片和生態系統。

OpenSingularity基金會發佈了一項「天網工程」(Skynet project)計劃,構想了一個如同電影《魔鬼終結者》(Terminator)片中情景般的智慧機器網路,利用區塊鏈、IoT和人工智慧(AI)建構一個安全可靠的裝置網路,使其得以智慧且自主地進行大規模通訊。該組織表示,這將使數十億互連的可辨識IoT裝置輕鬆地加入由自組AI網路驅動的全球機器對機器(M2M)經濟以及由區塊鏈提供的資料完整性,為裝置辨識、確保安全分散的小額支付和可靠的通訊提供解決方案。

該計劃的目的在於開發基於RISC-V架構的核心晶片,預計在2019年12月推出核心FPGA,並於12個月後推出核心SoC。根據該組織於官網發佈的時間表,希望能在2022年8月之前部署「數十億」個連接裝置。

rinivasa Rao Nagaram
rinivasa Rao Nagaram

就在上個月,OpenSingularity招聘了兩位前高通工程師。接掌其工程總監一職的Srinivasa Rao Nagaram曾任高通工程總監,他曾經協助推動驍龍(Snapdragon)處理器的誕生。OpenSingularity表示,由於Nagarajam在SoC設計、軟體支援和端對端產品商業化方面的專業知識,因而獲邀加入OpenSingularity。

另一位曾經在高通工作了22年的資深工程師Venkat Tangirala則加入OpenSingularity擔任生態系統總監。Tangirala在高通時曾經協助完成5G數據機的矽前開發任務。

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 project

Skynet核心

Skynet計劃的心臟是Skynet核心,這是一款可為區塊鏈和AI應用建置最佳化SoC的專用晶片。它最終將使用32位元或64位元的RISC-V核心,並包含專利申請中的技術,以提供特定的區塊鏈元件:硬體加密貨幣錢包用於安全密鑰管理和自動權限系統以及AI身份驗證;晶片上SHA-256哈希加速器,用於確定資料完整性;以及自動交易簽名,讓所有的區塊鏈互動脈絡清楚可尋。

它還將包括一款神經處理器(NPU)作為裝置的大腦,以實際的吞吐量和功率預算執行具有人類精度的分類任務。不過,該基金會並未進一步說明其細節,但將為NPU進行最佳化,以加速目前各種類型的神經網路演算法,包括DNN、CNN和RNN。

Skynet核心將以免授權的模式發佈,讓SoC製造商建置晶片並搭配其解決方案。該基金會還表示,為了支援基於深度學習應用的智慧裝置,該晶片的高階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行複雜的深度學習AI模型。

Skynet IoT architecture 基於Skynet核心的典型物聯網架構 (來源:OpenSingularity Foundation)

在其長達80頁的白皮書中,OpenSingularity展示了該核心的願景和細節,期望這款模組化區塊鏈SoC最終將在IoT晶片組市場成為足以挑戰Arm的競爭替代方案。所有的Skynet核心裝置最初將配備硬體錢包,讓裝置能以安全的虛擬貨幣硬體錢包使用區塊鏈和加密貨幣,「並以晶片大腦實現AI身份驗證以及仿人類智慧的功能」。

使用該核心的所有裝置都具有備智慧化的能力,而且也能利用區塊鏈網絡。這將使IoT裝置適用於自動駕駛車、智慧城市和智慧型手機等物聯網裝置。所有人都能透過Skynet開放網路(SON)進行連接,OpenSingularity稱這是一個可擴展的IoT無限鏈鎖平台。

SON將使這些裝置能在幾毫秒內交易價值、在整個網路上部署演算法、訓練重要的私人資料,並以安全的方式找到彼此,以及利用比特幣或乙太網路等任何其他網路,並從其KnowledgeNet中學習,包括AWS和Imagenet等改善的基礎設施。

RISC-V的計劃

OpenSingularity表示,為了支援現代Linux作業系統(如Ubuntu)而使SON區塊鏈得以執行,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)架構實現了簡單的設計、快速的時脈速率、小型晶片尺寸和高效的記憶體利用、專家設計的支援以及主導的軟體工具。其產品系列還採用了全系統的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用的Arm Cortex-M系列處理核心,以及高階應用的Arm Cortex-A 64位高性能處理器系列,以實現低功耗和小佔位面積。該生態系統還提供了先進的微控制器(MCU)匯流排架構(AMBA),以互連多個週邊裝置(IO、協同處理器和記憶體控制器等)。此外,多家供應商可為各種製程節點提供可靠的週邊裝置。

一開始,透過Arm的廣泛滲透也很重要,因為它提供了一個經驗證的社群,可支援開機加載程式等整個軟體堆疊、核心、驅動程式、工具庫、應用和軟體開發工具等,如編譯器、分析器和除錯器。

儘管如此,OpenSingularity表示,隨著RISC-V開放來源指令集架構(ISA)日益成熟,該公司正致力於為開發基於此ISA的客製處理器探索其他替代方案以及周遭生態系統。該公司表示,相較於Arm處理器(BOOMv2 vs ARM Cortex-A9),RISC-V核心的最新建置顯示可實現更小晶片尺寸與更高性能的理想結果。

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一樣的授權費用,這種節省成本的作法可望造福SoC製造商並成為加速其採用的動力。我們將監控RISC-V生態系統擴展的進展,並決定哪一款CPU核心可作為Skynet核心的基礎。」

該公司還計劃透過與SoC製造商合作,依據特定應用的需求開發整個整合堆疊,從而加速開發完整的軟體堆疊。

Arm vs. RISC-V架構

該基金竭盡全力地為其區塊鏈IoT晶片評估Arm與RISC-V架構的特性。

採用RISC架構的Arm旨在實現固定長度、簡單但功能強大的指令,以高時脈速度執行單個週期。該架構基於許多原則,以實現簡單的設計和快速的時脈速率。管線設計在一個階段中解碼而無需要微碼(microcode),並為快速執行指令定義了大量的通用暫存器。Arm採一種資料處理指令僅適用於暫存器的加載/儲存架構,而加載/儲存方案則用於從記憶體傳輸資料。

然而,這與純粹的RISC存在一些差異。Arm的某些指令採用可變週期執行,例如多暫存器加載/儲存,以實現更快和更高的程式碼密度。內建桶式移位器可提高性能和碼式密度,但也導致了更複雜的指令。Thumb 16位元指令集可以提高約30%的程式碼密度。條件執行透過減少分支以提高性能和程式碼密度,並為DSP操作添加了一些增強指令。

該基金會並補充說,現有的ISA,如x86/x64,是專有且非常複雜的,但其細節經常隱藏在冗長的手冊中,ISA的一些細節其甚至根本沒有公開。此外,廣泛使用的ISA已存在多年,而且其設計經常被延用,以支援後向相容性。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,加州大學柏克萊分校提出了RISC-V計劃。RISC-V採用的開放來源途徑意味著許多不同的公司可以提供RISC-V架構的硬體方案。建立一個讓多家供應商可以競爭建置單一ISA的生態系統,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旨在建立一個現代的ISA,其中包含處理器設計的最新想法。現代ISA力求比傳統的ISA更精簡、更實用,而且還能適應快速的硬體建置。

它認為,IoT應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、支援作業系統、多核心或支援64位元操作。另一方面,它還發現有一些應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,以實現各種設計選擇。在這方面,該基金會補充說RISC-V實際上並不是單一的ISA,而是更多相關ISA的組合。

RISC-V提供了三種基本整數ISA:RV32I、RV64I和RV128I,分別用於32位元、64位元和128位元位址寬度。為硬體整數作業提供了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的32位元指令壓縮為16位元,類似於Arm針對嵌入式應用的Thumb指令集,這將有助於縮減程式碼的大小,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)。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Ex-Q'commers Prep RISC-V Blockchain Chip,by Nitin Dahad)