RISC-V 기반 오픈소스 GPU 아키텍처(RV64X) 등장

엔지니어 집단이 3D 렌더링과 미디어 처리에 최적화된 새로운 그래픽 명령어 세트를 발전시키고 있다. 이 명령어들은 RISC-V 기본 벡터 ISA를 그래픽 전용 데이터 타입과 계층적 확장으로 확장해 벡터, 초월 수학, 픽셀 조작, 텍스처, Z/프레임버퍼 연산을 커버한다. 이 제안은 RV64X로 명명되며, 64비트 명령어로 견고한 통합 CPU-GPU ISA를 제공한다.

왜 지금인가?

상용 GPU는 주류 워크로드에 뛰어나지만 이중 위상 3D 절두체 클리핑, 적응형 HPC(임의 비트 깊이 FFT), 하드웨어 SLAM 같은 틈새 작업엔 종종 부족하다. 커뮤니티 주도 개방형 표준은 10-20년 개발 주기 단축, 교차 검증 촉진, 더 넓은 애플리케이션 범위에 유연하고 확장 가능한 솔루션 제공이 가능하다.

팀 비전은 맞춤 프로그래밍 가능성과 확장성을 제공하는 컴팩트하고 면적 효율적인 코어다. FPGA와 ASIC 타깃 모두에 무료 오픈소스 IP로 제공되며, 초기엔 저전력 마이크로컨트롤러 대상. 설계는 불칸(Vulkan) 준수하며 향후 OpenGL, DirectX, 기타 API 지원 예정.

최종 하드웨어는 통합 GPU 기능 유닛을 가진 RISC-V 코어다. 프로그래머에게 단일 64비트 명령어 세트로 나타나며, 스칼라 오프코드는 벡터 컨텍스트로 접두사가 붙어 컴파일러가 배경에서 SIMD 명령어를 생성하게 한다. 아키텍처는 가변 이슈, 프리디케이트 SIMD, 벡터 프론트엔드, 정밀 예외, 브랜치 섀도잉 등을 지원. CPU-GPU 통신용 별도 RPC/IPC 레이어 불필요. 16비트 고정소수점(FPGA 이상적)과 32비트 부동소수점(ASIC 또는 FPGA) 지원.

설계는 리브레 GPU(Libre GPU) 노력의 V블록 형식을 활용한다:

• 스칼라 명령어에 레지스터 컨텍스트 태깅하는 비트형 VLIW 구조
• 서브 블록이 벡터 길이, 스와즐링, 폭 오버라이드, 프리디케이션 제공
• 전용 벡터 오프코드 없음; 스칼라 오프코드가 벡터 태그 레지스터 참조 시 벡터 모드 활성화
• 벤더 선택에 따라 SIMD, 멀티 이슈, 단일 실행으로 구현되는 여러 연속 스칼라 연산의 하드웨어 레벨 for-루프 실행

지원 데이터 타입은 8, 16, 24, 32비트 고정/부동소수점 스칼라와 초월 함수(sincos, atan, pow, exp, log, rcp, rsq, sqrt 등). RV32-V 벡터는 2-4요소 연산에 8, 16, 32비트 요소 지원, 3D 그래픽 파이프라인용 특수 명령어: 포인트(XYZW), 픽셀(RGBA), 텍셀(UVW), 재질 계수.

• XYZW 포인트 (64, 128비트 고정/부동소수점)
• RGBA 픽셀 (8, 16, 24, 32비트)
• UVW 텍셀 (컴포넌트당 8, 16비트)
• 재질 파라미터 (Ia, ka, Id, kd, Is, ks…)

네이티브 2×2, 3×3, 4×4 행렬 지원 포함, 단순화를 위해 4×4로 저장.

융합 CPU-GPU ISA 이점: 마이크로코드 구동 그래픽 파이프라인, 커스텀 셰이더 지원, 레이 트레이싱 확장, AI·머신러닝 워크로드용 8비트 정수 벡터 지원.

커스텀 래스터라이저(스플라인 기반 서페이스, 서브디비전 패치, 맞춤 테셀레이터) 구현 가능. 아키텍처는 완전 구성 가능해 사용자 정의 파이프라인 단계, 지오메트리/픽셀/프레임버퍼 연산, 인스턴싱 지원.

RV64X 블록 다이어그램

레퍼런스 구현은 다음을 특징으로 한다:

• 32KB 명령어/데이터 SRAM 캐시
• 8KB 마이크로코드 SRAM
• 듀얼 펑션 명령어 디코더
  • 하드와이어드 RV32V 및 RV64X 지원
  • 커스텀 확장용 마이크로코드 디코더
• 쿼드 벡터 ALU (32비트 고정/부동소수점)
• 136비트 레지스터 파일 (1K 요소)
• 특수 기능 유닛
• 텍스처 유닛
• 구성 가능 로컬 프레임 버퍼

확장성은 아키텍처에 내장돼 있다.

RV64X의 확장 가능 설계

핵심 혁신은 통합 CPU-GPU ISA, 커스텀 데이터 타입용 구성 가능 레지스터, 애플리케이션 특화 확장을 위한 사용자 정의 SRAM 기반 마이크로코드(커스텀 래스터라이저 단계, 레이 트레이싱, 머신러닝, 컴퓨터 비전).

동일 코어가 독립형 그래픽 마이크로컨트롤러나 확장 가능 셰이더 유닛으로 서빙 가능, FPGA 네이티브와 ASIC 구현 모두 지원.

왜 오픈소스 그래픽인가?

현재 GPU는 주로 하이엔드 시장(게이밍, HFT, 비전, ML)을 타깃으로 해 키오스크, 빌보드, 카지노 게이밍, 장난감, 로봇, 웨어러블, 산업 HMI, 인포테인먼트, 자동차 클러스터 같은 주류 디바이스에 공백이 있다. RISC-V용 개방형 확장 가능 그래픽 코어는 다중 언어 부담을 줄이고 이 도메인 전반에 혁신을 촉진할 것이다.

다음 단계

사양은 초기 단계며 진화 중. 팀은 토론 포럼 런칭, 명령어 세트 시뮬레이터 구축, 오픈소스 IP로 FPGA 프로토타입 개발 계획. 벤치마크와 데모 진행 중. 관심 있는 개발자는 아티프 자파르(Atif Zafar)에게 연락해 참여 가능.

병행해 리브레-RISC-V 3D GPU 이니셔티브는 전용 GPU가 아닌 하이브리드 CPU/VPU/GPU SoC를 만드는 것을 목표로, 다양한 임베디드 애플리케이션용 완전한 리브레 라이선스 프로세서 제공.

산업 컨텍스트

GPU 생태계에는 이제 애플, 퀄컴, AMD, 엔비디아, Arm, 인텔, 씽크-실리콘(Think-Silicon), DMP, 징지아 마이크로(Jingjia Micro), 베리실리콘(VeriSilicon), 이미지네이션 테크놀로지스(Imagination Technologies), 신흥 RISC-V 그래픽 커뮤니티 등 10여 주요 플레이어 포함.

무료 유연한 GPU 잠재 유스케이스는 그래픽 넘어 암호화폐 채굴 등 컴퓨팅 집약적 워크로드 포함.

채택은 최소 2년 소요 전망. 자일린스(Xilinx, 현재 Zynq 라인에 Arm Mali 통합)와 여러 중국 벤더가 유력 초기 채택자.

► 본 기사는 자매 사이트인 EE Times에 원문 게재되었습니다.

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