add xdc2020 tex
authorLuke Kenneth Casson Leighton <lkcl@lkcl.net>
Wed, 16 Sep 2020 15:59:27 +0000 (16:59 +0100)
committerLuke Kenneth Casson Leighton <lkcl@lkcl.net>
Wed, 16 Sep 2020 15:59:34 +0000 (16:59 +0100)
conferences/xdc2020.tex [new file with mode: 0644]

diff --git a/conferences/xdc2020.tex b/conferences/xdc2020.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3386c44
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,337 @@
+\documentclass[slidestop]{beamer}
+\usepackage{beamerthemesplit}
+\usepackage{graphics}
+\usepackage{pstricks}
+
+\graphicspath{{./}}
+
+\title{The Libre-SOC Hybrid 3D CPU}
+\author{Luke Kenneth Casson Leighton}
+
+
+\begin{document}
+
+\frame{
+   \begin{center}
+    \huge{The Libre-SOC Hybrid 3D CPU}\\
+    \vspace{32pt}
+    \Large{Augmenting the OpenPOWER ISA}\\
+    \Large{to provide 3D and Video instructions}\\
+    \Large{(properly and officially) and make a GPU}\\
+    \vspace{24pt}
+    \Large{XDC2020}\\
+    \vspace{16pt}
+    \large{Sponsored by NLnet's PET Programme}\\
+    \vspace{6pt}
+    \large{\today}
+  \end{center}
+}
+
+
+\frame{\frametitle{Why another SoC?}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Intel Management Engine, Apple QA issues, Spectre\vspace{6pt}
+   \item Endless proprietary drivers, "simplest" solution: \\
+         License proprietary hard macros (with proprietary firmware)\\
+                Adversely affects product development cost\\
+               due to opaque driver bugs (Samsung S3C6410 / S5P100)
+                \vspace{6pt}
+   \item Alternative: Intel and Valve-Steam collaboration\\
+         "Most productive business meeting ever!"\\
+         https://tinyurl.com/valve-steam-intel
+               \vspace{6pt}
+   \item Because for 30 years I Always Wanted To Design A CPU
+               \vspace{6pt}
+   \item Ultimately it is a strategic \textit{business} objective to
+         develop entirely Libre hardware, firmware and drivers.
+  \end{itemize}
+}
+
+
+\frame{\frametitle{Why OpenPOWER?}
+
+\vspace{15pt}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Good ecosystem essential\\
+                linux kernel, u-boot, compilers, OSes,\\
+                Reference Implementation(s)\vspace{10pt}
+   \item Supportive Foundation and Members\\
+                need to be able to submit ISA augmentations\\
+                (for proper peer review)\vspace{10pt}
+   \item No NDAs, full transparency must be acceptable\\
+            due to being funded under NLnet's PET Programme\vspace{10pt}
+   \item OpenPOWER: established for decades, excellent Foundation,\\
+            Microwatt as Reference, approachable and friendly.
+  \end{itemize}
+}
+
+
+\frame{\frametitle{What goes into a typical SoC?}
+\vspace{9pt}
+ \begin{itemize}
+   \item 15 to 20mm BGA package: 2.5 to 5 watt power consumption\\
+               heat sink normally not required (simplifies overall design)
+               \vspace{10pt}
+   \item Fully-integrated peripherals (not Northbridge/Southbridge)\\
+         USB, HDMI, RGB/TTL, SD/MMC, I2C, UART, SPI, GPIO etc. etc. 
+         \vspace{10pt}
+   \item Built-in GPU (shared memory bus, 3rd party licensed) \vspace{10pt}
+   \item Build-in VPU (likewise)\vspace{10pt}
+   \item Target price between \$2.50 and \$30 depending on market\\
+         Radically different from IBM POWER9 Core (200 Watt)
+         \vspace{10pt}
+  \end{itemize}
+}
+
+
+
+\frame{\frametitle{Simple SBC-style SoC}
+
+\begin{center}
+\includegraphics[width=0.9\textwidth]{shakti_libre_soc.jpg}
+\end{center}
+
+}
+
+\frame{\frametitle{What's different about Libre-SOC?}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Hybrid - integrated.  The CPU \textit{is} the GPU.\\
+         The GPU \textit{is} the CPU.  The VPU \textit{is} the CPU.\\
+         \textit{There is No Separate VPU/GPU Pipeline}\\
+                 \vspace{9pt}
+   \item written in nmigen (a python-based HDL).  Not VHDL\\
+                 not Verilog (definitely not Chisel3/Scala)\\
+                 This is an extremely important strategic decision.\\
+                 \vspace{9pt}
+   \item Simple-V Vector Extension.  See `SIMD Considered harmful'.\\
+                 https://tinyurl.com/simd-considered-harmful\\   
+               SV effectively a "hardware for-loop" on standard scalar ISA\\
+               (conceptually similar to Zero-Overhead Loops in DSPs)
+                 \vspace{9pt}
+  \end{itemize}
+}
+
+\frame{\frametitle{Hybrid Architecture: Augmented 6600}
+
+ \begin{itemize}
+   \item CDC 6600 is a design from 1965.  The \textit{augmentations} are not.\\
+                Help from Mitch Alsup includes \textit{precise exceptions}, \\
+                multi-issue and more. Academic literature on 6600 utterly misleading.
+               6600 Scoreboards completely underestimated (Seymour Cray and
+               James Thornton
+               solved problems they didn't realise existed elsewhere!)
+   \item Front-end Vector ISA, back-end "Predicated (masked) SIMD"\\
+         nmigen (python OO) strategically critical to achieving this.
+   \item Out-of-order combined with Simple-V allows scalar operations\\
+         at the developer end to be turned into SIMD at the back-end\\
+         \textit{without the developer needing to do SIMD}
+   \item IEEE754 sin / cos / atan2, Texturisation opcodes, YUV2RGB\\
+                all automatically vectorised.
+  \end{itemize}
+}
+
+\frame{\frametitle{Why nmigen?}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Uses python to build an AST (Abstract Syntax Tree).
+         Actually hands that over to yosys (to create ILANG file)
+         after which verilog can (if necessary) be created
+   \item Deterministic synthesiseable behaviour (Signals are declared
+         with their reset pattern: no more forgetting "if rst" block).
+   \item python OO programming techniques can be deployed.  classes
+         and functions created which pass in parameters which change
+         what HDL is created (IEEE754 FP16 / 32 / 64 for example)
+   \item python-based for-loops can e.g. read CSV files then generate
+         a hierarchical nested suite of HDL Switch / Case statements
+         (this is how the Libre-soc PowerISA decoder is implemented)
+   \item extreme OO abstraction can even be used to create "dynamic
+         partitioned Signals" that have the same operator-overloaded
+         "add", "subtract", "greater-than" operators
+   
+  \end{itemize}
+}
+
+\frame{\frametitle{Why another Vector ISA? (or: not-exactly another)}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Simple-V is a 'register tag' system.  \textit{There are no opcodes}\\
+                SV 'tags' scalar operations (scalar regfiles) as 'vectorised'
+   \item (PowerISA SIMD is around 700 opcodes, making it unlikely to be
+        able to fit a PowerISA decoder in only one clock cycle)
+   \item Effectively a 'hardware sub-counter for-loop': pauses the PC\\
+         then rolls incrementally through the operand register numbers\\
+         issuing \textit{multiple} scalar instructions into the pipelines\\
+         (hence the reason for a multi-issue OoO microarchitecture)
+   \item Current \textit{and future} PowerISA scalar opcodes inherently
+                \textit{and automatically} become 'vectorised' by SV without
+                needing an explicit new Vector opcode.
+   \item Predication and element width polymorphism are also 'tags'.
+         elwidth polymorphism allows for FP16 / 80 / 128 to be added to
+         the ISA \textit{without modifying the ISA}
+   
+  \end{itemize}
+}
+
+\frame{\frametitle{Quick refresher on SIMD}
+
+ \begin{itemize}
+   \item SIMD very easy to implement (and very seductive)
+   \item Parallelism is in the ALU
+   \item Zero-to-Negligeable impact for rest of core
+  \end{itemize}
+  Where SIMD Goes Wrong:\vspace{6pt}
+   \begin{itemize}
+   \item See "SIMD instructions considered harmful"
+   https://sigarch.org/simd-instructions-considered-harmful
+   \item Setup and corner-cases alone are extremely complex.\\
+         Hardware is easy, but software is hell.\\
+         strncpy VSX patch for POWER9: 250 hand-written asm lines!\\
+         (RVV / SimpleV strncpy is 14 instructions)
+   \item O($N^{6}$) ISA opcode proliferation (1000s of instructions)\\
+         opcode, elwidth, veclen, src1-src2-dest hi/lo
+  \end{itemize}
+}
+
+\begin{frame}[fragile]
+\frametitle{Simple-V ADD in a nutshell}
+
+\begin{semiverbatim}
+function op\_add(rd, rs1, rs2, predr) # add not VADD!
+  int i, id=0, irs1=0, irs2=0;
+  for (i = 0; i < VL; i++)
+    if (ireg[predr] & 1<<i) # predication uses intregs
+       ireg[rd+id] <= ireg[rs1+irs1] + ireg[rs2+irs2];
+    if (reg\_is\_vectorised[rd] )  \{ id += 1; \}
+    if (reg\_is\_vectorised[rs1])  \{ irs1 += 1; \}
+    if (reg\_is\_vectorised[rs2])  \{ irs2 += 1; \}
+\end{semiverbatim}
+
+  \begin{itemize}
+   \item Above is oversimplified: Reg. indirection left out (for clarity).
+   \item SIMD slightly more complex (case above is elwidth = default)
+   \item Scalar-scalar and scalar-vector and vector-vector now all in one
+   \item OoO may choose to push ADDs into instr. queue (v. busy!)
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+\frametitle{Predication-Branch (overload meaning of "branch")}
+
+\begin{semiverbatim}
+s1 = reg\_is\_vectorised(src1);
+s2 = reg\_is\_vectorised(src2);
+if (!s2 && !s1) goto branch;
+for (int i = 0; i < VL; ++i)
+  if (cmp(s1 ? reg[src1+i]:reg[src1],
+          s2 ? reg[src2+i]:reg[src2])
+         ireg[rs3] |= 1<<i;
+\end{semiverbatim}
+
+  \begin{itemize}
+   \item Above is oversimplified (case above is elwidth = default)
+   \item If s1 and s2 both scalars, Standard branch occurs
+   \item Predication stored in integer regfile as a bitfield
+   \item Scalar-vector and vector-vector supported
+   \item Overload Branch immediate to be predication target rs3
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+\frametitle{Register element width and packed SIMD}
+
+\begin{semiverbatim}
+    typedef union \{
+       uint8\_t  actual\_bytes[8]; // actual SRAM bytes
+       uint8\_t  b[]; // array of type uint8\_t
+       uint16\_t s[]; // etc
+       uint32\_t i[];
+       uint64\_t l[];
+    \} reg\_t;
+    
+    reg\_t int\_regfile[128];
+\end{semiverbatim}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Regfile is treated (sort-of) as a byte-level SRAM
+   \item Each "register" starts at an 8-byte offset into SRAM
+   \item requires byte-level "select" lines on SRAM
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\frame{\frametitle{Register element width and packed SIMD}
+
+ \begin{itemize}
+   \item default: elements behave as defined by the standard ISA
+   \item override for Integer operations: 8/16/32 bit SIMD
+   \item override for IEEE754 FP: FP16/FP32 (and later FP80 or FP128)
+   \item Effectively "typecasts" regfile to union of arrays
+   \item Does not require modification of ISA!  This is "tagging"\\
+         (similar to the `Mill' ISA)
+   \item FPADD64 RT, RA, RB becomes `actually please do FP16'\\
+         (but without needing to add an actual FPADD16 opcode)
+   \item Note: no zeroing unless explicitly requested!\\
+         (unused elements e.g. VL=3 when elwidth=16 are
+         predicated out: int\_regfile[RA].s[3] is not zero'd)
+  \end{itemize}
+
+}
+
+\frame{\frametitle{Additional Simple-V features}
+
+ \begin{itemize}
+   \item "fail-on-first" (POWER9 VSX strncpy segfaults on boundary!)
+   \item "Twin Predication" (covers VSPLAT, VGATHER, VSCATTER, VINDEX etc.)
+   \item SVPrefix: 16-bit and 32-bit prefix to scalar operations\\
+            (SVP-64 allows more extensive "tag" augmentation)
+   \item VBLOCK: a VLIW-like context.  Allows space for `swizzle' tags
+         and more.  Effectively a "hardware compression algorithm" for ISAs.
+   \item Ultimate goal: cut down I-Cache usage, cuts down on power
+   \item Typical GPU has its own I-Cache and small shaders.\\
+        \textit{We are a Hybrid CPU/GPU: I-Cache is not separate!}
+   \item Needs to go through OpenPOWER Foundation `approval'         
+  \end{itemize}
+}
+
+
+\frame{\frametitle{Summary}
+
+ \begin{itemize}
+   \item Goal is to create a mass-volume low-power embedded SoC suitable
+         for use in netbooks, chromebooks, tablets, smartphones, IoT SBCs.
+   \item No way we could implement a project of this magnitude without
+         nmigen (being able to use python OO to       HDL)
+   \item Collaboration with OpenPOWER Foundation and Members absolutely
+         essential. No short-cuts.  Standards to be developed and ratified
+         so that everyone benefits.
+   \item Working on the back of huge stability of POWER ecosystem
+   \item Greatly simplified open 3D and Video drivers reduces product
+         development costs for customers
+   \item It also happens to be fascinating, deeply rewarding technically
+         challenging, and funded by NLnet
+         
+  \end{itemize}
+}
+
+
+\frame{
+  \begin{center}
+    {\Huge The end\vspace{15pt}\\
+                  Thank you\vspace{15pt}\\
+                  Questions?\vspace{15pt}
+       }
+  \end{center}
+  
+  \begin{itemize}
+       \item Discussion: http://lists.libre-soc.org
+       \item Freenode IRC \#libre-soc
+       \item http://libre-soc.org/
+       \item http://nlnet.nl/PET
+  \end{itemize}
+}
+
+
+\end{document}