RISC-Vは、デュアルコア64ビットマシンビジョン/ヒアリング開発ボードでAIとMLに対応

RISC-Vは、32ビットコアのイノベーションの復活に貢献しています。しかし、今回は技術的な環境が違います。最近のコアイノベーションと競争は、確立された汎用マイクロコントローラ市場に焦点を当て、汎用ペリフェラルは頑丈な自動車アプリケーションに焦点を当てていました。しかし、今日の組み込み環境は、高度な産業用エッジコンピューティングシステムをターゲットとしたモノのインターネット（IoT）エンドポイントに焦点を当てています。最新のRISC-Vマイクロコントローラは、一般的なタイマやシリアルインターフェースだけでなく、人工知能（AI）の推論エンジンや機械学習（ML）機能など、高度なペリフェラルもサポートしています。

しかし、RISC-Vには、進化する市場や技術的要件に加えて、さらなる利点があります。RISC-Vの利点を取り上げる前に、マイクロコントローラの歴史を簡単に振り返ってみましょう。

マイクロコントローラにおけるイノベーションの短い歴史

組み込みマイクロコントローラ市場は、数年に一度の割合で変革が起きています。これらは不定期に発生し、性能や機能に対する市場のニーズだけでなく、業界のビジネス面でも推進されています。人気の8051に始まり、自動車、ゲーム、家電など、ほとんどすべての組み込みシステムを8ビット市場が支配していました。現在でも、8ビットの超低電力マイクロコントローラはいたるところに存在し、8051でも驚異的な数字を出し続けています（詳細は後述）。

16ビットマイクロコントローラは、長い間、低電力と高性能の間の理想的な選択肢となっています。しかし、今日に至るまで、その市場は、既存のプレーヤー以外の多くのサプライヤに誤解されています。16ビットの後、32ビットプロセッサが登場しました。これらの32ビットプロセッサは、1990年代から2000年代初頭にかけて、異なるコアアーキテクチャが競い合う中で、さまざまな独自のアーキテクチャを持つパーソナルコンピュータ市場以外で注目を集めました。

32ビットコアをめぐる競争に決着をつけたのはArmでした。多種多様なサプライヤが共通のアーキテクチャのもとに緩やかに統合されていたため、お客様はコードの移植に多大な労力を費やすことなく、サプライヤを簡単に変更することができました。共通のアーキテクチャは、プロプライエタリなアーキテクチャに比べて優位性がありました。

RISC-Vは命令セットを真に低減

RISC-Vは長い間、非常に小さな市場シェアしかありませんでした。これは主に、新しい32ビット命令セットアーキテクチャ（ISA）に対する市場のニーズが実際に認識されていなかったためです。しかし、RISC-Vのコアアーキテクチャを見たエンジニアは、すぐに感心しました。

RISCとは、歴史的にはReduced Instruction Set Core/Computer（縮小命令セットコア/コンピュータ）を意味します。文字通り、実用的な動作に必要な最小限の命令しか持たないことを意味しています。現在、RISCと呼ばれているほとんどのアーキテクチャは、この定義から外れており、複雑な命令が多く含まれているため、技術者はこの呼称を皮肉っています。しかし、RISC-V ISAはその定義を忠実に守っており、頭の中ではジェームズ・アール・ジョーンズの「実に素晴らしい」という言葉が聞こえてきそうです。

基本的な32ビットRISC-Vは、32個の32ビットコアレジスタ（x0～x31）を備えています。このうち31個は汎用で、レジスタx0はハードワイヤードで0になっています。RISC-Vの命令セットを深く掘り下げてみると、x0 = 0の賢明さや、縮小された命令セットを維持するために多くの命令でx0が必要なオペランドであることがわかります。しかし、それはまた別の機会に取り上げたいと思います。

半導体産業は、多くの健全な相互依存関係を持つグローバルな産業です。しかし、現在、半導体サプライヤは、明らかな理由と微妙な理由の両方で、自社製品の管理を強化したいと考えています。これには、コストのかかるライセンス契約や、販売/再販されている知的財産（IP）のソースを見直すことも含まれます。これにより、RISC-Vはカスタマイズ可能なオープンソースでロイヤリティフリーのISAとなり、歴史的に見ても適切な時期に適切なアーキテクチャとなりました。そのため、DigiKeyはEDUサイト（教育プログラム）のRISC-V電子ブックを通して、RISC-Vに焦点を当てています。電子ブック「教育用コンポーネントリファレンスガイド：RISC-V」は、初心者や経験豊富な開発者に、RISC-Vツールや評価キットを紹介しています。これらのツールを使用することで、アーキテクチャの使用経験がない開発者でも、RISC-VのプログラミングモデルやISAをすぐに理解し、使いこなすことができます。

RISC-V：AI/ML向けの強力なコア

通常、新しいISAは、点滅LED付きの評価ボードを備えた汎用マイクロコントローラとともに市場に投入されますが、RISC-VはAIやML向けに直接構築されています。たとえば、Seeed Technologyは、RISC-V RV64IをベースにしたSeeed 110991190 Sipeed Maix-BiT開発ボードでMLを実現しています（図1）。RISC-V RV64Iは、64ビットのコアレジスタx0〜x31を持つ64ビットのアドレス & データISAです。

図1：Seeed TechnologyのSipeed Maix-BiT開発ボードは、デュアルコアのRISC-V RV64GCをベースにしています。マシンビジョンや機械学習アプリケーションをターゲットにしています。（画像提供：Seeed Technology）

DigiKeyのRISC-V電子ブック（5ページ目から）でも紹介していますが、このボードの小型化と高性能化は、エッジ処理のIoTアプリケーションに適しています。

Sipeed Maix-BiTボードのコアプロセッサは、デュアルコアのRV64GCマイクロコントローラシステムオンチップ（SoC）です。Gサフィックスは、汎用拡張機能のサポートを指定しています。これらの拡張機能には、ハードウェアによる乗算や除算、アトミックなリードモディファイライトメモリ命令、単精度 & 倍精度の浮動小数点命令のサポートなどがあります。Cサフィックスは、マイクロコントローラが16ビットの圧縮命令をサポートしていることを示しており、コンパクトなコードを書くのに便利です。マイクロコントローラは、128メガビット（Mビット）の外部プログラムフラッシュメモリに加え、6メビバイト（MiB）の汎用オンチップSRAMにアクセスできます。これは、比較的新しいISAとしては驚異的な処理能力であり、複雑なエッジコンピューティングアプリケーションに十分なメモリを備えています。

デュアルコアのRV64GCマイクロコントローラの最大の特徴は、オンチップの汎用AIニューラルネットワークプロセッサです。このプロセッサは、顔や物体をリアルタイムで検出するように設計されています。AIプロセッサには、AI演算を行うための2MiBの専用SRAMが搭載されています。これにより、中程度のマイクロコントローラのプログラミングスキルがあれば、誰でもアクセスできる圧倒的な処理能力を実現しています。

Sipeed Maix-BiTのボードには、フラッシュメモリ拡張用のマイクロSDカードスロットが搭載されています。AIユニットに搭載されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS ）マイクロフォンは、複雑な音声 & ノイズ認識システムなどのマシンヒアリングアプリケーションに使用することができます。また、このキットには、基板下面のデジタルビデオポート（DVP）カメラコネクタに接続する外部カメラも含まれています。これにより、複雑なマシンビジョンアプリケーションを容易にすることができ、IoTエッジ処理システムにおいて有利になります。

また、ボードにはプログラミングとデバッグ用のUSB-Cインターフェースが搭載されており、USB-to-UARTチップでデュアルコアのRV64GCにインターフェースします。また、付属の外付けLCDディスプレイ用のコネクタも用意されています。これにより、プログラム開発時に視覚的なフィードバックを得ることができ、ユーザーフィードバックのアプリケーションで使用することもできます。

まとめ

8ビットのマイクロコントローラに始まり、今日の最新アーキテクチャに至るまでには長い道のりがありました。RISC-V ISAは、健全な競争が行われている市場で、Armと並んでその地位を占めることができるでしょうか。RISC-Vが注目され、このブログで紹介したような先進的な開発ボードが登場したことで、RISC-Vが市場に浸透するだけの勢いがあることは確かなようですが、それはまた別の話です。現在、Seeedの110991190 Sipeed Maix-BiTのような製品が提供されており、エッジでのIoTやAI/MLアプリケーションで成功を収めることが確実視されています。

もう1つ付け加えたいことがあります。それは、8ビットのマイクロコントローラは今でも広く使われているということです。開発ボードに搭載されているLCDインターフェースICとCH552 USB-to-UART ICは、あらかじめプログラムされた8ビットのマイクロコントローラです。そしてCH552は、実は人気の8051なのです。