前高通工程师打造全球首款RISC-V区块链芯片

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2018年成立的非营利组织OpenSingularity基金会(OpenSingularity Foundation)宣称即将开发出世界上第一款区块链(blockchain)芯片以及超可扩展的区块链物联网(IoT)网路，从而打造「智能机器经济」(intelligent machine economy)。该组织最近还吸收了几位前高通(Qualcomm)的工程师，共同开创这款芯片和生态系统。

OpenSingularity基金会发布了一项「天网工程」(Skynet project)计划，构想了一个如同电影《终结者》(Terminator)片中情景般的智能机器网路，利用区块链、IoT和人工智能(AI)建构一个安全可靠的设备网路，使其得以智能且自主地进行大规模通讯。该组织表示，这将使数十亿互连的可辨识IoT设备轻松地加入由自组AI网路驱动的全球机器对机器(M2M)经济以及由区块链提供的资料完整性，为设备辨识、确保安全分散的小额支付和可靠的通讯提供解决方案。

该计划的目的在于开发基于RISC-V架构的核心芯片，预计在2019年12月推出核心FPGA，并于12个月后推出核心SoC。根据该组织于官网发布的时间表，希望能在2022年8月之前部署「数十亿」个连接设备。

就在上个月，OpenSingularity招聘了两位前高通工程师。接管其工程总监一职的Srinivasa Rao Nagaram曾任高通工程总监，他曾经协助推动骁龙(Snapdragon)处理器的诞生。OpenSingularity表示，由于Nagarajam在SoC设计、软件支持和端对端产品商业化方面的专业知识，因而获邀加入OpenSingularity。

另一位曾经在高通工作了22年的资深工程师Venkat Tangirala则加入OpenSingularity担任生态系统总监。Tangirala在高通时曾经协助完成5G基带的开发任务。

高通工程副总裁Carl Shi也在本月加入OpenSingularity的董事会。该团队的其他几名成员分别来自高通、阿里巴巴(Alibaba)、Google Ventures、三星(Samsung)和摩托罗拉(Motoriola)。

一、Skynet核心


Skynet计划的心脏是Skynet核心，这是一款可为区块链和AI应用建置最优化SoC的专用芯片。它最终将使用32位元或64位元的RISC-V核心，并包含专利申请中的技术，以提供特定的区块链元件：硬件加密货币钱包用于安全密钥管理和自动权限系统以及AI身份验证；芯片上SHA-256哈希加速器，用于确定资料完整性；以及自动交易签名，让所有的区块链互动脉络清楚可寻。

它还将包括一款神经处理器(NPU)作为设备的大脑，以实际的吞吐量和功率预算执行具有人类精度的分类任务。不过，该基金会并未进一步说明其细节，但将为NPU进行最佳化，以加速目前各种类型的神经网路演算法，包括DNN、CNN和RNN。

Skynet核心将以免授权的模式发布，让SoC制造商构建芯片并搭配其解决方案。该基金会还表示，为了支持基于深度学习应用的智能设备，该芯片的高端版本还将包含张量处理器(TPU)和张量处理器阵列。这些都将允许有效地执行复杂的深度学习AI模型。

二、基于Skynet核心的典型物联网架构

在其长达80页的白皮书中，OpenSingularity展示了该核心的愿景和细节，期望这款模组化区块链SoC最终将在IoT芯片组市场成为足以挑战Arm的竞争替代方案。所有的Skynet核心设备最初将配备硬件钱包，让设备能以安全的虚拟货币硬件钱包使用区块链和加密货币，「并以芯片大脑实现AI身份验证以及仿人类智能的功能」。

使用该核心的所有设备都具有备智能化的能力，而且也能利用区块链网络。这将使IoT设备适用于自动驾驶车、智慧城市和智能手机等物联网设备。所有人都能透过Skynet开放网路(SON)进行连接，OpenSingularity称这是一个可扩展的IoT无限链锁平台。

SON将使这些设备能在几毫秒内交易价值、在整个网路上部署演算法、训练重要的私人资料，并以安全的方式找到彼此，以及利用比特币或乙太网路等任何其他网路，并从其KnowledgeNet中学习，包括AWS和Imagenet等改善的基础设施。


三、RISC-V的计划

OpenSingularity表示，为了支持现代Linux作业系统(如Ubuntu)而使SON区块链得以执行，它将在Skynet核心中加入一组模组化处理器。该公司表示，Arm处理器的精简指令集(RISC)架构实现了简单的设计、快速的时脉速率、小型芯片尺寸和高效的记忆体利用、专家设计的支持以及主导的软件工具。其产品系列还采用了全系统的TrustZone安全方法。

Skynet计划最初将针对整合来自Arm的处理核心，包括低功耗嵌入式应用的Arm Cortex-M系列处理核心，以及高端应用的Arm Cortex-A 64位高性能处理器系列，以实现低功耗和小占位面积。该生态系统还提供了先进的微控制器(MCU)汇流排架构(AMBA)，以互连多个周边设备(IO、协同处理器和记忆体控制器等)。此外，多家供应商可为各种制程节点提供可靠的周边设备。一开始，透过Arm的广泛渗透也很重要，因为它提供了一个经验证的社群，可支持开机加载程序等整个软件堆叠、核心、驱动程序、工具库、应用和软件开发工具等，如编译器、分析器和除错器。

尽管如此，OpenSingularity表示，随着RISC-V开源指令集架构(ISA)日益成熟，该公司正致力于为开发基于此ISA的客户定制处理器探索其他替代方案以及周遭生态系统。该公司表示，相较于Arm处理器(BOOMv2 vs ARM Cortex-A9)，RISC-V核心的最新架构显示可实现更小芯片尺寸与更高性能的理想结果。

OpenSingularity在其论文中评论说：「RISC-V可提供取代Arm的理想替代方案，带来一个极具成本效益的Skynet核心，因为它无需像Arm一样的授权费用，这种节省成本的作法可望造福SoC制造商并成为加速其采用的动力。我们将监控RISC-V生态系统扩展的进展，并决定哪一款CPU核心可作为Skynet核心的基础。」

该公司还计划透过与SoC制造商合作，依据特定应用的需求开发整个整合堆叠，从而加速开发完整的软件堆叠。



四、Arm vs. RISC-V架构

该基金竭尽全力地为其区块链IoT芯片评估Arm与RISC-V架构的特性。

采用RISC架构的Arm旨在实现固定长度、简单但功能强大的指令，以高时脉速度执行单个周期。该架构基于许多原则，以实现简单的设计和快速的时脉速率。管线设计在一个阶段中解码而无需要微码(microcode)，并为快速执行指令定义了大量的通用暂存器。Arm采一种资料处理指令仅适用于暂存器的加载/储存架构，而加载/储存方案则用于从记忆体传输资料。

然而，这与纯粹的RISC存在一些差异。Arm的某些指令采用可变周期执行，例如多暂存器加载/储存，以实现更快和更高的程序代码密度。内建桶式移位器可提高性能和代码密度，但也导致了更复杂的指令。Thumb 16位元指令集可以提高约30%的程序代码密度。条件执行透过减少分支以提高性能和程序代码密度，并为DSP操作添加了一些增强指令。

该基金会并补充说，现有的ISA，如x86/x64，是专有且非常复杂的，但其细节经常隐藏在冗长的手册中，ISA的一些细节其甚至根本没有公开。此外，广泛使用的ISA已存在多年，而且其设计经常被延用，以支持后向相容性。专有的ISA由英特尔(Intel)和Arm等公司实体所拥有、管理和控制。

为了解决这些问题，加州大学柏克莱分校提出了RISC-V计划。RISC-V采用的开放来源途径意味着许多不同的公司可以提供RISC-V架构的硬件方案。

建立一个让多家供应商可以竞争建置单一ISA的生态系统，可望带来许多好处，这些在其他开放来源计划中可见一斑。OpenSingularity补充说，RISC-V旨在建立一个现代的ISA，其中包含处理器设计的最新想法。现代ISA力求比传统的ISA更精简、更实用，而且还能适应快速的硬件建置。

它认为，IoT应用中的许多嵌入式处理器需要的是便宜、可靠且简单，但不一定要求速度、支持作业系统、多核心或支持64位元操作。另一方面，它还发现有一些应用也需要具有多核心和64位元操作的处理器。

OpenSingularity之所以选择RISC-V是因为它能够在ISA中加进一些选项，以实现各种设计选择。在这方面，该基金会补充说RISC-V实际上并不是单一的ISA，而是更多相关ISA的组合。

RISC-V提供了三种基本整数ISA：RV32I、RV64I和RV128I，分别用于32位元、64位元和128位元位址宽度。为硬件整数作业提供了40个固定32位元宽度的指令，以及几个标准扩展，包括一个仅有16个暂存器的嵌入式处理器。

压缩的指令集将常规的32位元指令压缩为16位元，类似于Arm针对嵌入式应用的Thumb指令集，这将有助于缩减程序代码的大小，以提高处理器性能——因为它允许更多指令快取，因而缩减了从主处理器获取指令的时间(这部份通常造成性能瓶颈）。

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