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FAQ


よくある質問



これまでに5種類の試作チップを作製した実績があります。各試作チップの作製目的と仕様概要は以下の通りです。


1.TOPSTREAM™基本プラットフォーム(機能検証用)

    ○目的:TOPSTREAM™ヘテロジニアス・マルチコアのプラットフォームの機能検証用の試作チップです。
    ○概要:5コア(何れも32-bitプロセッサ)のヘテロジニアス・マルチコア、ローム社0.35μmCMOSテクノロジ、
       br5mm×5mm [VSACの支援により2001年に試作]

2.TOPSTREAM™基本プラットフォーム(性能検証用)

    ○目的:TOPSTREAM™ヘテロジニアス・マルチコアのプラットフォームの性能検証用の試作チップです。
    ○概要:5コア(何れも32-bitプロセッサ)のヘテロジニアス・マルチコア、TSMC社0.18μmCMOSテクノロジ、
       5mm×5mm [VSACの支援により2002年に試作 ]、160MHzで動作することを確認。

3.COOL Interconnect3次元積層チップ間インターフェイス(機能・消費電力評価用)

    ○目的:TSVを用いた3次元積層LSIのチップ間インターフェイスとして開発したCool Interconnectの機能・性能
      および消費電力評価用の試作チップです。
    ○概要:TSV1600本、TSV接続領域はチップ中央の2mm×2mm、TSMC社0.25μmCMOSテクノロジ、8.6mm×6.0mm。
       [NEDO省エネルギー革新技術開発事業により2010年に試作]

4.3次元積層ヘテロジニアス・マルチコア・チップ(消費電力評価用)

    ○目的:3次元積層が可能な冷たいマイクロプロセッサを目指して開発したヘテロジニアス・マルチコアの消費電力を
       評価するために試作チップを作成しました。
    ○概要:低消費電力化のためにヘテロジニアス・マルチチップとして、2種類のマルチコアを試作。
  • sC0チップ:2コア(32-bitプロセッサ×2種)のヘテロジニアス・マルチコア、チップの中央にTSV1600本によるCool Interconnectを集積、TSMC0.18μmLPCMOS、7.0mm×4.0mm。
    [NEDO省エネルギー革新技術開発事業により2010年に試作]

  • C1チップ:5コア(64-bitプロセッサ×2、128-bitプロセッサ×2、256-bitプロセッサ×1の3種)のヘテロジニアス・
    マルチコア、チップの中央にTSV1600本によるCool Interconnectを集積、TSMC0.18μmLPCMOS、10.2mm×9.2mm。
    [NEDO省エネルギー革新技術開発事業により2010年に試作]

従来型のマイクロプロセッサは、動作周波数を高めることで性能向上を進めてきましたが、2000年代に入り消費電力はもう上げられないという限界(消費電力の壁 :Power Wall)に達しました。そこで、TOPSTREAM™は上がり過ぎてしまったマイクロプロセッサの動作周波数を下げて、その代わりにアーキテクチャの工夫により、1クロックで 処理する演算数を大幅に上げるアプローチを取っています。周波数を下げるには、『アーキテクチャ&アルゴリズムの協調設計』、即ちハードウェアとソフトウェアの協調設計に よる歩み寄りが極めて重要です。要件に適ったアプリケーション・システムを実現するために、ソフトウェアを実現するアルゴリズムやその構造、マイクロプロセッサの命令セッ ト、メモリ階層・プロセッサ間通信・マルチコア構成、マイクロアーキテクチャ、そして論理設計の何れにおいても、低消費電力化を最優先にした 最適化を行っています。


アプリケーションによりますが、通常は50~100MHz程度で数10GOPS以上の性能を達成します。即ち、従来型のプロセッサと比べて数十分の1という低い周波数で、 従来型プロセッサを遥かに超える性能が達成できるのです。但し、リアルタイム・レイトレーシングのように数100TFLOPSという高い性能を要求する超ハイエンドの マイクロプロセッサを実現する場合は、高い周波数を用います。リアルタイム・レイトレーシングの場合は、750MHzです。


Q4.DPEに割り当てる機能はどうやって決めるのですか?

基本的にTOPSTREAM™では、アプリケーション・システムを実現するための処理を機能分割するアプローチを採ります。一般的に、制御系の処理とデータ処理系の処理に 分けることができます。先ず、データ系の処理はTOPSTREAM™に搭載される制御用の32-bitのマイクロプロセッサであるMC(Master Controller)に割当てます。また、データ系の 処理は、2つの命令セット(32-bitのRISCとn-bitのSIMD系拡張命令)を内蔵するDPE(Data Processing Engine)に割り当てます。但し、DPEはTOPSTREAM™に搭載される データ処理系のマイクロプロセッサの総称であり、アプリケーション毎にそのデータ幅と命令セットが最適化され別の名前で呼ばれます。 例えば、TOPSTREAM™(TM) WLANに搭載されるベースバンドのローレベルの信号処理をするプロセッサはWPE(Wireless Processing Engine)と呼ばれる128-bitのデータパスを持つ マイクロプロセッサです。


アプリケーション・システムの要件(コスト・性能・消費電力、応用範囲=アプリケーション・ドメイン)を満たすように、DPEの構成と個数を決めます。逐次処理として 記述されているアプリケーション・ソフトウェアをメッセージ・パッシング方の機能分散処理に変更した後に、トプスシステムズ社独自のArchitecture-Algorithm協調設計手法を 適用して、ヘテロジニアス・マルチコア・プロセッサとその上で動作する分散処理型のソフトウェアを構成し、定量的なシミュレーションにより性能と消費電力を評価し、最適な ハードウェア&ソフトウェア構成を追求します。その結果として、ヘテロジニアス・マルチコアを構成するDPEの種類や数が決まります。


ソフトウェア開発には、2通りのアプローチを提供します。


1.従来のソフトウェアをそのまま使用

    例えば、弊社のUltra-Androidソフトウェア・プラットフォームを使用すれば、Javaで記述されたアプリケーション・ソフトウェアは変更する必要がありません。

2.ソフトウェアの並列化

    マルチコア向けのソフトウェア開発になりますので、従来の逐次処理型のソフトウェア開発と比べると難易度は上がります。但し、TOPSTREAM™で採用しているメッセージ・パッシ ング型の機能分散処理は、データ並列型の並列処理よりもプログラミングが容易です。TOPSTREAM™用のソフトウェア開発は、大きくは次の2つのステップで行います。1)機能分 割、2)分割後の個々のプロセスの最適化(ストリーム化を含む)。1)の機能分割は、現時点では自動化が困難ですので、アプリケーション・システムを知った上で、機能分割 し、定量的なシミュレーションにより負荷のインバランスがないか等といった確認する必要があります。2)の分割後の個々のプロセスの最適化について、従来の逐次型プログラ ミングと同様ですが、ストリーム化を意識する必要があります。

尚、トプスシステムズ社は、自動ストリーム化が可能なコンパイラの開発に取り組んでいます。
また、トプスシステムズ社の100%子会社である株式会社Cool Softにより、マルチコア向けのソフトウェア開発サービスを提供しています。


SoCの開発期間とほぼ同様で、要件定義からチップ試作までで約18~24ヶ月程度です。


基本的に半導体ベンダのテクノロジには依存しません。TOPSTREAM™のライセンスは、一般的なASICの設計手法に基づいてチップ化が可能なRTLとして提供します。 RTLで使用するライブラリは、標準的な論理ゲート(トライステート・ドライバを含む)、シングルポートのクロック同期型SRAM、レジスタ・ファイル(2R1W)です。


次の4つの設計手法により品質と生産性を上げています。

    ①スケーラビリティの高いマルチコア・アーキテクチャ(オンチップバスの工夫、命令セットアーキテクチャの工夫)
    ②プラットフォーム・ベースのSoC設計手法による再利用性の向上
    ③RTL記述用独自ライブラリにより設計・検証効率の向上
    ④アドバンストな機能検証の適用(命令レベルのテスト自動生成、ハードウェア・エミュレータによる機能検証の
        アクセラレーション、ISSとRTLの命令レベル比較検証など)

TOPSTREAM™ヘテロジニアス・マルチコアの応用として、大きくは制御系と画像処理系の2つの応用を考えています。TOPSTREAM™は、メモリ・アクセス量の削減と、 メモリ・アクセスの制御性が高いことから制御系プロセッサへの応用により、ECUの統合、リアルタイム性能の向上、信頼性の向上に寄与できると考えています。 また、TOPSTREAM™の高い性能・低消費電力・コストパフォーマンスの高さから、画像処理系として、要求性能が数100GOPSを越え、且つ様々なアルゴリズムに対応できる柔軟性と スケーラビリティを要求する画像認識などに適していると考えています。


TOPSTREAM™は組込みシステムに使用することを前提にしています。組込みシステムの場合、例えば、スマートフォン、デジタル・カメラ、デジタル・テレビといったそれ ぞれの製品群に合わせてSoCが設計されています。従って、汎用性のある1つのプロセッサ・チップをあらゆる製品に使用するということではありません。SoCはCPUとASIC(ハー ドワイヤード回路)とで構成されており、課題はASIC部のスケーラビルティ・再利用性が低いということです。TOPSTREAM™の考え方は、SoCをマルチコアで構成することにより、 機能と性能のスケーラビルティを高め、更に開発済みのプロセッサ・コアとその上で動作するソフトウェアを資産として再利用していこうというアプローチです。 従って、TOPSTREAM™アーキテクチャに基づいて、例えば次世代デジタル・テレビに適したヘテロジニアス・マルチコア型のSoCを構成し、これをハイエンドからローエンドまでの デジタル・テレビにスケーラブルに使用していく、将来的な機能拡張や性能拡張もTOPSTREAM™というマルチコアのプラットフォームが提供するスケーラビリティを活用していくこ とができます。
また、各プロセッサ・コアの汎用性については、各コアは共通の32-bit RISC命令(制御用)と共通のn-bitのSIMD型命令を備えていますので、プロセッサ・コアでもかなり高速にア プリケーション・ソフトウェアを実行することができます。ただし、汎用プロセッサと同様に、ある構成のプロセッサを使用して、ソフトウェアで機能をどんどん追加していった 場合に性能不足となることはあります。


エネルギー効率の高いマイクロプロセッサとするために、様々な工夫をしています。
以下にそのうちの幾つかの工夫とその効果を紹介します。

  • ①デュアル・インストラクション・セット・アーキテクチャ:命令長を16-bitとコンパクトに抑えながら、
        数多くのデータ処理用命令(2オペランドで256種類の命令)を定義できる。
  • ②レジスタ・バンク:命令長を16-bitとコンパクトに抑えながら、最大256本のレジスタを持てる。
  • ③ストリーム・プロセッシング・コア:ストリーム・インやストリーム・アウトと呼ばれる、連続するメモリ・データの
        読込み(ロード・マルチ命令)や連続するメモリ領域への書き出し(ストア・マルチ命令)を演算命令と並行して
        実行可能なため、プログラムを実行するために必要なクロック・サイクル数を削減できる。
  • ④複合命令:アプリケーション・システム特有の重い処理について、複数の演算処理を纏めて1サイクルで
        実行する複合命令によりプログラムを実行するために必要なクロック・サイクル数を大幅に削減できる。
  • ⑤プロセッサ・コア間のレジスタ・バンク共有:プロセッサ・コア間の通信にメモリを使用せずに、コア間で
        共有するレジスタ・バンクを使用することができるため、プロセッサ間通信に必要なメモリ・アクセス量と
        メモリ・アクセス時間 を削減できる。
  • ⑥プロセッサ間同期機構:プロセッサ間の同期に必要な命令を備えているため、プロセッサ間通信を
        最小ゼロ・サイクルで行える。
  • ⑦スケーラブルなオン・チップ・バス:分散アービトレーション方式によるスケーラブルなマルチ・マスタ、
        マルチ・スレーブ型のバスのため、コア数を変更してもバス設計の変更や検証のやり直しが発生しない。

TOPSTREAM™ヘテロジニアス・マルチコア・プロセッサは、アプリケーション分野に合わせて構成し、またコア数は要求性能や機能に依存しますので、そのゲート数はマル チコア構成によって変わります。 具体例として、TOPSTREAM™ WLAN:WiFi用の4コア構成(MC=32bit、SPE=32bit、RPE=32bit、WPE=128bit)の場合、約600Kgate。デジタルTVの動画デコード用の5コア構成 (SCP=64bit×2、DCP=128bit×2、QCP=256bit)の場合、1.25Mgateです。


現在は、ソフトウェア開発者がストリーム処理のスケジューリングを行っています。ストリーム処理のスケジューリングを行うコンパイラは、現在開発中です。


経済産業省の戦略的基盤技術高度化支援事業(通称:サポイン)として、2009年から株式会社トプスシステムズと独立行政法人産業技術総合研究所との共同研究として 実施しているプロジェクトです。


エネルギー効率、即ち消費電力あたりの処理性能を高めるため、50~100MHz程度の低いクロック周波数のヘテロジニアス・マルチコア・プロセッサとして並行して開発しているTOPSTREAM™ Ultra-Android(仮称)を使用することを想定しています。


Q3.ソフト開発者の負担は増えませんか?

Android用アプリケーション・ソフトウェアの互換性を維持しますので、アプリケーション・ソフトウェアの変更(開発に負担)はありません。 ただし、スマートフォンやタブレットをはじめとするUltra-Androidソフトウェア・プラットフォームを搭載する端末のペリフェラルを動作させるためのデバイス・ドライバの 開発は、Androidソフトウェア・プラットフォームを搭載する端末と同様に必要となります。 尚、トプスシステムズ社の子会社である株式会社Cool Softが、お客様のデバイス・ドライバ等の開発サービスを提供いたします。


これまでのAndroid用アプリの開発と全く変わりません。


現在は、TOPSTREAM™にのみ対応しています。他のマルチコアプロセッサへの対応は未定です。


これまでのAndroid用アプリは、そのまま使用できます。Ultra-Androidで使用しているLinux OSは、Androidと同じです。


トプスシステムズ社は、オープンイノベーション型のパートナー戦略を推進しています。パートナーは随時募集しています。


機能分散処理型のAndroidソフトウェア・プラットフォームです。機能分散処理型にすることで、ヘテロジニアスマルチコアの性能を活かして高速化・低消費電力化・ リアルタイム化を可能にします。


Androidのメジャーなバージョンにのみ対応する予定です。また機能分散処理をする上で、Androidのバージョンに依存する箇所は限定的であると考えています。


例えば、デジタル・カメラ、カーナビ、次世代デジタルテレビなど、ディスプレイとネットワーク接続をもつ組込み情報機器にUltra-Androidソフトウェア・ プラットフォームを採用することで、処理速度・消費電力化・応答性などで、大きな差別化ができると考えています。


本プロジェクトは、超低消費電力化を目的としています。従いまして、低消費電力化による社会的な省エネ化やCO2の削減に寄与する応用分野として、 先ずは次世代デジタルテレビを想定しています。また、中長期的な応用分野として、ネットワークスイッチやデータセンターの低消費電力化を視野に入れています。


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