The Cost of Packed SIMD: Implementation and Evaluation of the Risc-V P-extension on Ibex

• Main Author: Støle, Martin Mathias
• Format: Dissertation
• Language: English

Nye trender innen innvevde systemer slik som mer databehandling og lokal KI i periferien av nettverket setter stadig høyere krav til ytelsen og energieffektiviteten til innvevde systemet. Denne oppgaven utforsker hvordan delord-SIMD kan inkluderes i en prosessor for å øke ytelsen og senke energiforbruket i slike arbeidsbelastninger. Risc-V, et instruksjonssett med åpen kildekode, vil bli brukt som en base fordi det utpeker seg ut som et lovende alternativ til ARM arkitekturen, som har lukket kildekode. For å implementere delord-SIMD har P-utvidelsen til Risc-V blitt brukt. Denne utvidelsen har ikke blitt utforsket i stor grad utenom et par design tidligere. Hele P-utvidelsen har blitt implementert på Ibex CPU kjernen ved å modifisere ALUen, multiplikatoren og dekoderen til å støtte disse nye instruksjonene. Gjennom et sett med ytelsestester har det blitt funnet at P-utvidelsen er opp til 7.3x raskere i syntetiske belastninger og opp til 3.1x raskere i belastninger som etterlikner virkelige arbeidsbelastninger. Strømforbruket økte med 7% og kombinert med den økte ytelsen førte dette til at P-utvidelsen brukte mellom 2.5x og 4.4x mindre energi for å utføre en oppgave. Størrelsen økte med 35% mens maksimal klokkefrekvens ble redusert med 24% når P-utvidelsen ble implementert. Sammenliknet med V-utvidelsen ble det funnet at V-utvidelsen var opp til 4.4x raskere i syntetiske belastninger, men litt tregere enn P-utvidelsen i ekte belastning. Samtidig hadde V-utvidelsen 2.4x større areal og omtrent 3.9x høyere strømforbruk enn P-utvidelsen. Derfor ble det konkludert med at P-utvidelsen er mest passende for slike lavenergi-innvevde systemer.