SHAKTI（マイクロプロセッサ）

Shakti（表記：S HAKTI）は、インド工科大学マドラス校（IITマドラス校）の再構成可能インテリジェントシステムエンジニアリング（RISE）グループによる、インド初の国産産業グレードプロセッサの開発を目的としたオープンソースイニシアチブです。 ^{[1] [2]} Shaktiイニシアチブの目標には、オープンソースの生産グレードプロセッサ、完全なシステムオンチップ（SoC）、マイクロプロセッサ開発ボード、およびShaktiベースのソフトウェアプラットフォームの構築が含まれます。チームの主な焦点は、面積、電力、およびパフォーマンスにおいて市場の商用製品と競合するSoCを開発するためのコンピュータアーキテクチャ研究です。Shaktiのすべてのソースコードは、修正BSDライセンスの下でオープンソース化されています。このプロジェクトは、インド政府の電子情報技術省（MeITY）によって資金提供されました。^{[3] [2]}

Shakti プロセッサは、 RISC-V 命令セット アーキテクチャ(ISA)に基づいています。プロセッサは、製造半導体製造工場(ファウンドリ) に応じて、 22 nm プロセスの フィン電界効果トランジスタ(FinFET) または180 nm プロセスの相補型金属酸化膜半導体 ( CMOS ) テクノロジ ノードのいずれかを使用するように設計されています。

Shakti は、ロードマップの一環として、市場のさまざまなセグメントに対応するプロセッサ ファミリを計画しています。これらは、大きく「ベース プロセッサ」、「マルチコア プロセッサ」、および「実験的プロセッサ」に分類されています。

EクラスとCクラスのコアは、モノのインターネット（IoT）、組み込みシステム、デスクトップコンピュータ市場向けです。プロセッサ設計にはロイヤリティはかからず、修正BSDライセンスの下でオープンソースライセンスされています。^[4]

EクラスコアとCクラスコアはどちらもHaskell方言であるBluespec SystemVerilog（BSV）言語で実装されています。^[2]

Shakti プロジェクトは、RISC-V ISA をベースにした 6 種類のプロセッサを構築することを目的としています。

Eクラスは、低消費電力および低消費電力のコンピュータアプリケーション向けに、RISC-V ISAのすべての拡張機能をサポートできる32ビットおよび64ビットの マイクロコントローラです。Eクラスは、シリコン上で200MHz未満の動作周波数を持つインオーダー3ステージパイプラインです。これは、 ARMのMクラス（Cortex -Mシリーズ）コアに対抗するものです。FreeRTOS 、Zephyr、eChronosなどのリアルタイムオペレーティングシステムを実行できます。Eクラスプロセッサの市場セグメントは、スマートカード、IoTデバイス、モーター制御、ロボットプラットフォームをサポートしています。^{[5] [6]}

E-arty35T は E クラスをベースに構築された SoC です。E-arty35T SoC は、128kB RAM を搭載したシングルチップ32 ビットE クラス マイクロコントローラです。32 個の汎用入出力(GPIO) ピン (そのうち上位 16 個の GPIO ピンはオンボード LED とスイッチ専用)、プラットフォーム レベル割り込みコントローラ(PLIC)、カウンター、2 個のシリアル ペリフェラル インターフェイス(SPI)、2 個のユニバーサル非同期送受信機(UART)、1 個の Inter-Integrated Circuit ( I²C )、6 個のパルス幅変調器(PWM)、および内蔵の Xilinxアナログ - デジタル コンバータ(X-ADC) を備えています。^[7]

C クラスは、ミッドレンジの組み込みアプリケーション向けの64 ビットコントローラ クラスのプロセッサです。コアは、MMU サポートとLinuxやSel4などのオペレーティング システムを実行する機能を備えた、高度に最適化された 6 ステージ インオーダー設計です。標準の RV64GC ISA 拡張機能のサポートにより、非常に柔軟に構成できます。200 ～ 800 MHz で動作するミッドレンジのコンピューティング システム向けです。最大 2 GHz までカスタマイズすることもできます。ARM の Cortex A35/A55 に対抗する位置付けです。このクラスのアプリケーション ドメインは、組み込みシステム、モーター制御、IoT、ストレージ、産業用アプリケーションから、ネットワーク、ゲートウェイなどの低コストで高性能な Linux ベースのアプリケーションまで多岐にわたります。^{[5] [6]}

C-arty100T は C クラスをベースに構築された SoC です。C-arty100T SoC は、128 MB DDR3 RAM、16 個の汎用入出力 (GPIO) ピン、プラットフォーム レベル割り込みコントローラ (PLIC)、カウンター、1 個のユニバーサル非同期送受信機 (UART)、および 1 個のインターインテグレーテッド サーキット (I²C) を備えたシングルチップ 64 ビット C クラス マイクロコントローラです。これは、消費電力が非常に低く、オプションのメモリ保護をサポートするミッドレンジ アプリケーション ワークロード向けです。^[8]

Iクラスは、コンピューティング、モバイル、ストレージ、ネットワークプラットフォーム向けの64ビットプロセッサです。その機能には、アウトオブオーダー実行、マルチスレッド、アグレッシブ分岐予測、ノンブロッキングキャッシュ、ディープ命令パイプラインステージなどがあります。このプロセッサの動作クロック周波数は1.5〜2.5GHzです。2020年4月現在、チームはアトミック、メモリ依存予測、命令ウィンドウ/スケジューラの最適化、一部の機能ユニットの実装、パフォーマンス分析/予測、22nmプロセッサで1GHzの最初の目標周波数を満たすための最適化の実装に取り​​組んでいました。^{[6] [9] [10]}

最大8コアのモバイルクラスプロセッサで、コアはCクラスとIクラスのコアの組み合わせです。Mクラスプロセッサは、汎用コンピューティング、ローエンドサーバー、モバイルアプリケーション向けです。動作周波数は最大2.5GHzです。大規模な発行サイズ、クアッドスレッド、オプションのNoCファブリックをサポートします。Mクラスプロセッサは、さまざまな電力とパフォーマンスの目標に合わせて最適化されています。^[9]

Sクラスは、デスクトップおよびエンタープライズサーバー向けの64ビットスーパースケーラ、マルチスレッド版です。2～16個のコアをサポートし、クロック周波数は約1.2～3GHzです。^[9]

Hクラスは、高度に並列化されたエンタープライズ、HPC、分析アプリケーション向けの64ビットプロセッサです。コアはCクラスまたはIクラスの組み合わせで、シングルスレッドのパフォーマンスによってコアの選択が決まります。Hクラスには、コアごとに複数のアクセラレータを備えた最大128個のコアがあります。^[9]

これらは、高いセキュリティとフォールト トレラントを備えたプロセッサの開発に重点を置いた実験/研究プロジェクトです。

Tクラスは、メモリベースの攻撃から情報を保護するための追加のハードウェアサポートを提供することを目的としています。その設計は、空間的および時間的なメモリ攻撃を軽減するための統一されたハードウェアフレームワークに重点を置いています。^[11]

Fクラスは、ベースクラスプロセッサのフォールトトレラントバージョンです。機能には、冗長コンピューティングブロック（DMRやTMRなど）、永続的な障害を検出するための一時冗長モジュール、ロックステップコア構成、障害局所化回路、重要なメモリブロック用のECC、冗長バスファブリックなどがあります。^[12]

これまでに、 2 つの C クラス プロセッサ (コード名RIMOおよびRisecreek ) と 1 つの E クラス プロセッサ ( Moushik ) がテープアウトされています。

RIMO は、モハリの半導体研究所(SCL)で 180 nm プロセス技術を使用してテープアウトされた Shakti C クラスベースの SoC のコード名です。144 平方ミリメートルのチップは、最大 70 MHz の周波数で動作するようにテストされています。チップは 208 ピンのセラミック クアッド フラット パック (CQFP) にパッケージ化されています。^[5]

CREEKは、 Intelのオレゴン工場で22nm FinFETプロセスを使用してテープアウトされたShakti CクラスベースのSoCのコード名です。16mm²のチップは、最大350MHzの周波数で動作するようにテストされています。チップは208ピンのボールグリッドアレイ（BGA）にパッケージ化されています。^[5]

Moushikは、SCLで180nmプロセス技術を使用してテープアウトされたShakti EクラスベースのSoCのコード名です。100MHzの周波数で動作し、Ardonyx 1.0と呼ばれるマザーボードとともに開発されました。^[13]

RIMO と Risecreek の機能の一部は次のとおりです。

• 安定したRISC-V ISA全体をサポートするインオーダー5ステージ64ビットマイクロコントローラ(RV64IMAFD)。
• RISC-V ISA の特権仕様 (v1.10) と互換性があり、sv39 仮想化スキームをサポートします。
• リターンアドレススタックを備えた分岐予測器が含まれています。
• パイプライン化された IEEE-754 準拠の単精度および倍精度浮動小数点ユニットとマルチチャネルダイレクト メモリ アクセス(DMA) のサポート。
• 周辺機器としては、2 x I²C、2 x UART、2 x QSPI、デバッガ、256KBの密結合メモリ、32ビットGPIO、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）に接続できる拡張バスなどがあります。 ^[5]

E クラスと C クラスの両方のプロセッサ用の開発ボードがあります。さまざまなクラスのプロセッサに対するボードのサポートの詳細については、以下を参照してください。

• E-arty35TはShakti Eクラス[14]をベースにしたSoCである。
• E-arty35TはArtix 7 35Tボードでサポートされています。
• 32ビットEクラスの短縮版です。I、M、A、Cが含まれます。^[7]

• C-arty100TはShakti CクラスをベースにしたSoCです。
• C-arty100TはArtix 7 100Tボードでサポートされています。
• 64ビットCクラスの短縮版です。I、M、A、F、D、Cが含まれます。^[8]

アルテアエンジニアリングは2021年7月から、世界中の顧客向けの組み込みシステムファームウェアサポートポートフォリオにEクラスプロセッサを追加しました。^[14]

2021年12月7日、インド電子情報技術省は、スワデシマイクロプロセッサチャレンジの優勝者を表彰しました。チャレンジのさまざまな段階で、参加者は、ハードウェアプロトタイプの開発と参加チームによるスタートアップの育成のために、最大4.40億ルピーの資金を受け取ります。C-DACとIITマドラスは、VEGA 32ビットおよび64ビットプロセッサとShaktiをベースにしたSoC、 THEJAS32とTHEJAS64をチャレンジで利用できるようにしました。参加チームは、さまざまな設計でSoCを正常に実装しました。30のファイナリストチームから10チームが優勝しました。チームVEGA FCS FT（AIドローン）は、ドローンアプリケーションで35万ルピーの小切手を受け取りました。2位のチームHWDLは、FMラジオデータシステムユーティリティで30万ルピーを受け取りました。3位のチームCytoxは、細胞カウントプロジェクトで25万ルピーを受け取りました。その他のチームはそれぞれ4位を分け合い、20万ルピーの小切手を受け取った。チームはAstrek Innovations（障害者用下肢エクソスーツ）、Team 6E Resources（下水処理場の遠隔監視と最適化）、Team Anshashodhak（核分光法アプリケーション用の独自の較正システム）、Team Quicproc（ワイヤレス母体監視システム）、Team Avrio Energy（エッジインテリジェンスとディープラーニングを備えたAIエネルギーメーター）、Team JayHawks（盗難防止ジオフェンシングベースのロックシステム）である。^{[15] [16]}

スワデシマイクロプロセッサチャレンジのファイナリスト30チームは、インド最大の電子システム設計・製造センターであるMaker Villageからインキュベーション支援を受けました。^[17]

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