Design and test of a neural microprocessor

En aquest projecte, es dissenya un microprocessador neuronal per ser implementat en FPGAs. Aquesta tecnologia consisteix en un processador softcore basat en RISC-V descrit amb SystemVerilog que s'utilitza per controlar un coprocessador encarregat d'executar una xarxa neuronal spiking amb propagació directa descrita amb VHDL. El control es fa amb senyals que es generen a partir d'instruccions SIMD personalitzades definides en una extensió del conjunt d’instruccions RSIC-V. Per fer-ho, es modifica el processador de manera que pugui detectar i descodificar les noves instruccions emmagatzemades a la seva memòria de programa. Per facilitar la tasca de definir el contingut de la memòria del programa, s'utilitza un codi escrit en C i es desenvolupa un conjunt d'instruccions C personalitzades. Aquestes instruccions es basen en l'ús de macros i inline assembly, i la seva finalitat és facilitar i permetre l'ús de les instruccions personalitzades RISC-V en el codi d'alt nivell. Per demostrar el correcte funcionament del projecte, se simula el microprocessador neuronal i després es prova a l'FPGA d'una placa de desenvolupament Nexys 4, amb el coprocessador implementat per resoldre el problema XOR. La implementació del coprocessador es replica amb C i s'executa a l'FPGA utilitzant només el processador predeterminat sense modificar. Finalment, els resultats s'analitzen i es comparen per determinar les compensacions entre els dos enfocaments en termes de temps d'execució, consum d'energia i espai utilitzat.En este proyecto, se diseña un microprocesador neuronal para su implementación en FPGAs. Esta tecnología consiste en un procesador softcore basado en RISC-V descrito con SystemVerilog que se utiliza para controlar a un coprocesador encargado de ejecutar una red neuronal spiking con propagación directa descrita con VHDL. El control se realiza con señales que se generan a partir de instrucciones SIMD personalizadas definidas en una extensión del conjunto de instrucciones RSIC-V. Para ello, se modifica el procesador de forma que pueda detectar y descodificar las nuevas instrucciones almacenadas en su memoria de programa. Para facilitar la tarea de definir el contenido de la memoria del programa, se utiliza un código escrito en C y se desarrolla un conjunto de instrucciones C personalizadas. Estas instrucciones se basan en el uso de macros e inline assembly, y su finalidad es facilitar y permitir el uso de las instrucciones personalizadas RISC-V en el código de alto nivel. Para demostrar el correcto funcionamiento del proyecto, se simula el microprocesador neuronal y después se prueba en la FPGA de una placa de desarrollo Nexys 4, con el coprocesador implementado para resolver el problema XOR. La implementación del coprocesador se replica con C y se ejecuta en la FPGA utilizando sólo el procesador predeterminado sin modifcar. Por último, los resultados se analizan y se comparan para determinar las compensaciones entre ambos enfoques en términos de tiempo de ejecución, consumo de energía y espacio utilizado.In this project, a neural microprocessor is designed to be implemented in FPGAs. This technology consists of a RISC-V-based soft processor described in SystemVerilog that is used to control a coprocessor in charge of executing a feedforward spiking neural network described in VHDL. The control is done with signals that are generated from custom-designed SIMD instructions defined in a RISC-V ISA extension. To do it, the processor is modified such that it can detect and decode the new instructions stored in its program memory. To facilitate the task of defining the program memory contents, a code written in C is used and a set of custom C instructions is developed. These instructions are based on the use of macros and inline assembly, and their purpose is to facilitate and allow the use of the RISC-V custom instructions in the high-level code. To demonstrate the correct operation of the project, the neural microprocessor is simulated and then tested on the FPGA of a Nexys 4 development board, with the coprocessor implemented for solving the XOR problem. The coprocessor implementation is replicated with C and executed in the FPGA using only the default processor without being modified. Finally, the results are analyzed and compared to determine the trade-offs between the two approaches in terms of execution time, power consumption, and utilized space