Aalto-yliopiston opiskelijat yhdistivät avoimen mikroprosessorin ja tekoälykiihdyttimen

Ryhmä Aalto-yliopiston mikroelektroniikan opiskelijoita toteutti kesällä 2021 RISC-V -mikroprosessorin laitteistokuvauksen ja julkaisi sen avoimesti verkossa. Nyt Aallon opiskelijoiden koodaamaan avoimeen mikroprosessoriin on lisätty tekoälykiihdytin ja salauskiihdytin. Piiri on lähetetty valmistukseen, ja sen odotetaan saapuvan mitattavaksi kevään 2023 aikana.

Prosessoriprojektin tavoitteena on luoda Suomeen prosessorisuunnittelun osaamista, sillä mikroelektroniikka-alan kiihtyvä maailmanlaajuinen kasvu ja alan investoinnit Suomessa lisäävät osaajien tarvetta. Mikroelektroniikkaa ovat muun muassa mikroprosessorit, joita tarvitaan nykyään lähes kaikessa tekniikassa kaukosäätimistä autoihin ja lentokoneisiin.

Nyt valmistuksessa oleva prosessori on suunniteltu alusta alkaen Otaniemessä opiskelijavoimin. Prosessori on tehty kokonaan itse käskykantakuvauksesta lähtien, eikä siinä ole hyödynnetty muita avoimen lähdekoodin toteutuksia. Toimintaa ohjaava käskykantakuvaus on tekninen dokumentti, joka määrittelee, miten mikroprosessorin tulee reagoida sille välitettyihin komentoihin. Myöhemmin keväällä työryhmä pääsee mittaamaan prosessoripiirin toimintaa.

”Tavoitteemme on, että mikroelektroniikan tulevaisuuden osaajat voivat hyödyntää RISC-V osaamistaan myös yrityksissä. Projektin myötä olemme uudistaneet opetustamme ja huomanneet, että projekti on selvästi lisännyt opiskelijoiden kiinnostusta alaa kohtaan”, mikroelektroniikan professori Jussi Ryynänen Aalto-yliopistosta sanoo.

”Teimme prosessorin käskykannasta lähtien oppiaksemme suunnittelemaan prosessoreja, joiden suunnittelu on vaikeampaa kuin sen käyttäminen. Pyrimme myös tekemään mikroelektroniikkasuunnittelua yhä enemmän ohjelmoimalla, ja prosessorisuunnittelu sopii tähän tavoitteeseen hyvin. Opiskelijat ovat projektin avulla oppineet, että ohjelmoimalla tehdään muutakin kuin ohjelmistoja. Lisäksi prosessorin ydin, A-Core, on käytössä myös opetuksessa muutamilla kursseillamme vahvistaen osaamistamme ohjelmistolaitteistojen rajapinnassa.”, vanhempi yliopistonlehtori Marko Kosunen kertoo.

Tekoäly ja salaus tarvitsevat laskentavauhtia

Toteutettu tekoälykiihdytin nopeuttaa laskennassa yleisiä vektori-matriisikertolaskuja huomattavasti enemmän verrattuna ohjelmistopohjaisiin ratkaisuihin. Vektori-matriisi kertolasku on niin sanottu alkeisoperaatio monessa tekoälysovelluksessa, ja laitteistokiihdyttimellä pyritään optimoimaan ja nopeuttamaan käskyjen suoritusta. Samaa tavoitetta tukee salausalgoritmin laskentakiihdytin, jota voidaan hyödyntää muun muassa tietoliikenteen salaamisessa.

Projektia tehdään yhteistyössä Business Finlandin veturiohjelman yritysten kanssa: Nokia, Saab, CoreHW ja Xiphera. Aalto-yliopistossa opiskelijoita ohjaavat Ryynäsen ja Kosusen lisäksi apulaisprofessori Martin Andraud. Projektissa on ollut mukana yhteensä noin parikymmentä opiskelijaa ja siitä on tehty useita sekä kandi- että diplomitöitä. Lisäksi hiljattain on aloitettu väitöstyö prosessorista ja sen kehitystyöstä.

Kosunen korostaa, että tekoälysovelluksissa ytimiä voi olla kymmenistä satoihin. Tämän avoimen prosessorin etu on muokkautuvuus, jonka ansiosta Aallonkin prosessori, A-Core, voi toimia hyvin erilaisissa ympäristöissä.

Aallon opiskelijoiden koodaaman RISC-V käskykanta on avoin, kaikkien saatavilla ja suunniteltu muokattavaksi ja laajennettavaksi omiin tarpeisiin. A-core on ladattavissa avoimen lähdekoodin alustalla tästä osoitteesta: https://gitlab.com/a-core