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[libreriscv.git] / 3d_gpu.mdwn
index 2df5a0e29301d09914a78c03388e786b4e4ec4fe..e7fece07e3654a1d0e6a8a4c7a2131d769e44278 100644 (file)
-# RISC-V 3D GPU
-
-at FOSDEM 2018 when Yunsup and the team announced the U540 there was
-some discussion about this: it was one of the questions asked.  one of
-the possibilities raised there was that maddog was heading something:
-i've looked for that effort, and have not been able to find it [jon is
-getting quite old, now, bless him.  he had to have an operation last
-year.  he's recovered well].
-
- also at the Barcelona Conference i mentioned in the
-very-very-very-rapid talk on the Libre RISC-V chip that i have been
-tasked with, that if there is absolutely absolutely no other option,
-it will use Vivante GC800 (and, obviously, use etnaviv).  what *that*
-means is that there's a definite budget of USD $250,000 available
-which the (anonymous) sponsor is definitely willing to spend... so if
-anyone can come up with an alternative that is entirely libre and
-open, i can put that initiative to the sponsor for evaluation.
-
- basically i've been looking at this for several months, so have been
-talking to various people (jeff bush from nyuzi [1] and chiselgpu [2],
-frank from gplgpu [3], VRG for MIAOW [4]) to get a feel for what would
-be involved.
-
- * miaow is just an OpenCL engine that is compatible with a subset of
-AMD/ATI's OpenCL assembly code.  it is NOT a GPU.  they have
-preliminary plans to *make* one... however the development process is
-not open.  we'll hear about it if and when it succeeds, probably as
-part of a published research paper.
-
- * nyuzi is a *modern* "software shader / renderer" and is a
-replication of the intel larrabee architecture.  it explored the
-concept of doing recursive software-driven rasterisation (as did
-larrabee) where hardware rasterisation uses brute force and often
-wastes time and power.  jeff went to a lot of trouble to find out
-*why* intel's researchers were um "not permitted" to actually put
-performance numbers into their published papers.  he found out why :)
-one of the main facts that jeff's research reveals (and there are a
-lot of them) is that most of the energy of a GPU is spent getting data
-each way past the L2/L1 cache barrier, and secondly much of the time
-(if doing software-only rendering) you have several instruction cycles
-where in a hardware design you issue one and a separate pipeline takes
-over (see videocore-iv below)
-
- * chiselgpu was an additional effort by jeff to create the absolute
-minimum required tile-based "triangle renderer" in hardware, for
-comparative purposes in the nyuzi raster engine research.  synthesis
-of such a block he pointed out to me would actually be *enormous*,
-despite appearances from how little code there is in the chiselgpu
-repository.  in his paper he mentions that the majority of the time
-when such hardware-renderers are deployed, the rest of the GPU is
-really struggling to keep up feeding the hardware-rasteriser, so you
-have to put in multiple threads, and that brings its own problems.
-it's all in the paper, it's fascinating stuff.
-
- * gplgpu was done by one of the original developers of the "Number
-Nine" GPU, and is based around a "fixed function" design and as such
-is no longer considered suitable for use in the modern 3D developer
-community (they hate having to code for it), and its performance would
-be *really* hard to optimise and extend.  however in speaking to jeff,
-who analysed it quite comprehensively, he said that there were a large
-number of features (4-tuple floating-point colour to 16/32-bit ARGB
-fixed functions) that have retained a presence in modern designs, so
-it's still useful for inspiration and analysis purposes.  you can see
-jeff's analysis here [7]
-
- * an extremely useful resource has been the videocore-iv project [8]
-which has collected documentation and part-implemented compiler tools.
-the architecture is quite interesting, it's a hybrid of a
-Software-driven Vector architecture similar to Nyuzi plus
-fixed-functions on separate pipelines such as that "take 4-tuple FP,
-turn it into fixed-point ARGB and overlay it into the tile"
-instruction.  that's done as a *single* instruction to cover i think 4
-pixels, where Nyuzi requires an average of 4 cycles per pixel.  the
-other thing about videocore-iv is that there is a separate internal
-"scratch" memory area of size 4x4 (x32-bit) which is the "tile" area,
-and focussing on filling just that is one of the things that saves
-power.  jeff did a walkthrough, you can read it here [10] [11]
-
- so on this basis i have been investigating a couple of proposals for
-RISC-V extensions: one is Simple-V [9] and the other is a *small*
-general-purpose memory-scratch area extension, which would be
-accessible only on the *other* side of the L1/L2 cache area and *ONLY*
-accessible by an individual core [or its hyperthreads].  small would
-be essential because if a context-switch occurs it would be necessary
-to swap the scratch-area out to main memory (and back).
-general-purpose so that it's useful and useable in other contexts and
-situations.
-
- whilst there are many additional reasons - justifications that make
-it attractive for *general-purpose* usage (such as accidentally
-providing LD.MULTI and ST.MULTI for context-switching and efficient
-function call parameter stack storing, and an accidental
-single-instruction "memcpy" and "memzero") - the primary driver behind
-Simple-V has been as the basis for turning RISC-V into an
-embedded-style (low-power) GPU (and also a VPU).
-
- one of the things that's lacking from RVV is parallelisation of
-Bit-Manipulation.  RVV has been primarily designed based on input from
-the Supercomputer community, and as such it's *incredible*.
-absolutely amazing... but only desirable to implementt if you need to
-build a Supercomputer.
-
- Simple-V i therefore designed to parallelise *everything*.  custom
-extensions, future extensions, current extensions, current
-instructions, *everything*.  RVV, once it's been implemented in gcc
-for example, would require heavy-customisation to support e.g.
-Bit-Manipulation, would require special Bit-Manipulation Vector
-instructions to be added *to RVV*... all of which would need to AGAIN
-go through the Extension Proposal process... you can imagine how that
-would go, and the subsequent cost of maintenance of gcc, binutils and
-so on as a long-term preliminary (or if the extension to RVV is not
-accepted, after all the hard work) even a permanent hard-fork.
-
- in other words once you've been through the "Extension Proposal
-Process" with Simple-V, it need never be done again, not for one
-single parallel / vector / SIMD instruction, ever again.
-
- that would include for example creating a fixed-function 3D "FP to
-ARGB" custom instruction.  a custom extension with special 3D
-pipelines would, with Simple-V, not need to also have to worry about
-how those operations would be parallelised.
-
- this is not a new concept: it's borrowed directly from videocore-iv
-(which in turn probably borrowed it from somewhere else).
-videocore-iv call it "virtual parallelism".  the Vector Unit
-*actually* has a 4-wide FPU for certain heavily-used operations such
-as ADD, and a ***ONE*** wide FPU for less-used operations such as
-RECIPSQRT.
-
- however at the *instruction* level each of those operations,
-regardless of whether they're heavily-used or less-used they *appear*
-to be 16 parallel operations all at once, as far as the compiler and
-assembly writers are concerned.  Simple-V just borrows this exact same
-concept and lets implementors decide where to deploy it, to best
-advantage.
-
-
-> 2. If it’s a good idea to implement, are there any projects currently
-> working on it?
-
- i haven't been able to find any: if you do please do let me know, i
-would like to speak to them and find out how much time and money they
-would need to complete the work.
-
->       If the answer is yes, would you mind mention the project’s name and
-> website?
->
->       If the answer is no, are there any special reasons that nobody not
-> implement it yet?
-
- it's damn hard, it requires a *lot* of resources, and if the idea is
-to make it entirely libre-licensed and royalty-free there is an extra
-step required which a proprietary GPU company would not normally do,
-and that is to follow the example of the BBC when they created their
-own Video CODEC called Dirac [5].
-
- what the BBC did there was create the algorithm *exclusively* from
-prior art and expired patents... they applied for their own patents...
-and then *DELIBERATELY* let them lapse.  the way that the patent
-system works, the patents will *still be published*, there will be an
-official priority filing date in the patent records with the full text
-and details of the patents.
-
-this strategy, where you MUST actually pay for the first filing
-otherwise the records are REMOVED and never published, acts as a way
-of preventing and prohibiting unscrupulous people from grabbing the
-whitepapers and source code, and trying to patent details of the
-algorithm themselves just like Google did very recently [6]
-
-* [0] https://www.youtube.com/watch?v=7z6xjIRXcp4
-* [1] https://github.com/jbush001/NyuziProcessor/wiki
-* [2] https://github.com/asicguy/gplgpu
-* [3] https://github.com/jbush001/ChiselGPU/
-* [4] http://miaowgpu.org/
-* [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_(video_compression_format)
-* [6] https://yro.slashdot.org/story/18/06/11/2159218/inventor-says-google-is-patenting-his-public-domain-work
-* [7] https://jbush001.github.io/2016/07/24/gplgpu-walkthrough.html
-* [8] https://github.com/hermanhermitage/videocoreiv/wiki/VideoCore-IV-Programmers-Manual
-* [9] libre-riscv.org/simple_v_extension/
-* [10] https://jbush001.github.io/2016/03/02/videocore-qpu-pipeline.html
-* [11] https://jbush001.github.io/2016/02/27/life-of-triangle.html
-
-
+# RISC-V 3D GPU / CPU / VPU
+
+Note: this is a **hybrid** CPU, VPU and GPU.  It is not, as many news articles
+are implying, a "dedicated exclusive GPU".  The option exists to **create**
+a stand-alone GPU product.  It is being *designed* to be a **complete**
+all-in-one processor (System-on-a-Chip).
+
+We seek investors, sponsors, engineers and potential customers, who are
+interested in the creation and use of an entirely libre low-power mobile
+class system-on-a-chip.  Comparative benchmark performance, pincount and
+price is the Allwinner A64, except that the power budget target is 2.5 watts
+in a 16x16mm 320 to 360 pin 0.8mm FBGA package.
+
+See:
+
+* [[libre_3d_gpu]]
+* [[discussion]]
+* <http://lists.libre-riscv.org/pipermail/libre-riscv-dev/>
+* <https://www.crowdsupply.com/libre-risc-v/m-class>
+
+Progress:
+
+* Feb 2019: Conversion of John Dawson's IEEE754 FPU to nmigen started
+* 2017 - Nov 2018: Simple-V specification preliminary draft completed
+* Aug 2018 - Nov 2018: spike-sv implementation of draft spec completed
+* Aug 2018: Kazan Vulkan Driver initiated
+* Sep 2018: mailing list established
+* Sep 2018: Crowdsupply pre-launch page up (for updates)
+* Dec 2018: preliminary floorplan and architecture designed (comp.arch)
+
+# News Articles
+
+* <https://hub.packtpub.com/a-libre-gpu-effort-based-on-risc-v-rust-llvm-and-vulkan-by-the-developer-of-an-earth-friendly-computer/>
+* <https://riscv.org/2018/10/packt-hub-article-a-libre-gpu-effort-based-on-risc-v-rust-llvm-and-vulkan-by-the-developer-of-an-earth-friendly-computer/>
+* <https://www.reddit.com/r/RISCV/comments/9jts9t/theres_a_new_libre_gpu_effort_building_on_riscv/>
+* <https://www.linux.com/blog/2018/11/risc-v-linux-development-full-swing>
+* <https://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=Libre-GPU-RISC-V-Vulkan>
+* <https://www.heise.de/newsticker/meldung/Mobilprozessor-mit-freier-GPU-Libre-RISC-V-M-Class-geplant-4242802.html>
+* <https://news.ycombinator.com/item?id=18094734>
+* <http://www.tuxmachines.org/node/116004>
+* <https://linuxfr.org/users/martoni/journaux/risc-v-est-pret-pour-le-desktop>
+* <https://www.reddit.com/r/hardware/comments/9jlby1/theres_a_new_libre_gpu_effort_building_on_riscv/>
+* <http://www.eevblog.com/forum/crowd-funded-projects/libre-risc-v-m-class-with-open-source-gpu-and-kazan-vulkan-driver/>
+* <https://www.reddit.com/domain/libre-riscv.org/>
+* <https://hardware.slashdot.org/comments.pl?sid=13447940&cid=58160868>
+* <https://www.phoronix.com/forums/forum/hardware/graphics-cards/1080755-libre-risc-v-gpu-aiming-for-2-5-watt-power-draw-continues-being-plotted/page5>
+
+# Information Resources and Tutorials
+
+* <https://github.com/timvideos/litex-buildenv/wiki/LiteX-for-Hardware-Engineers>
+* <https://jeffrey.co.in/blog/2014/01/d-flip-flop-using-migen/>
+* <http://lists.libre-riscv.org/pipermail/libre-riscv-dev/2019-March/000705.html>
+* <https://chisel.eecs.berkeley.edu/api/latest/chisel3/util/DecoupledIO.html>
+* <http://www.clifford.at/papers/2016/yosys-synth-formal/slides.pdf>