RISC-V: De Software a Silicio: Programación, Linux, FPGA y Aplicaciones de IA

Fundamentos de Arquitectura RISC-V y Visión General del Ecosistema

Paisaje de la ISA RISC-V y Adopción en la Industria

• Filosofía de ISA abierta y el paisaje de estandarización de RISC-V International
• Modelo Mental de RISC-V: Arquitectura de Carga-Almacenamiento, Archivo de Registros, Ordenamiento de Bytes
• Comparación con ARM, x86 y POWER: Compensaciones para arquitecturas de computación heterogénea
• Evaluación de la madurez del ecosistema: SiFive, T-Head, Western Digital y la creciente comunidad de silicio de código abierto
• Interfaces estandarizadas: ISA Privilegiada de RISC-V, Capa de Abstracción de Software de Máquina (MSBL)

Modelos de Memoria y Cumplimiento de ABI

• Especificación de Arquitectura No Privilegiada: mapa de CSR, manejo de excepciones y jerarquías de memoria
• Conjuntos de instrucciones RV32I / RV64I y cumplimiento de ABI para portabilidad binaria entre plataformas
• Convenciones de ordenamiento de memoria e instrucciones de barrera para sistemas multiprocesador

Programación en Ensamblador RISC-V y Cadena de Herramientas del Compilador

Programación de Instrucciones de Bajo Nivel

• Instrucciones enteras base (I), extensiones de Multiplicación/División (M) y operaciones atómicas (A)
• Estrategias de programación conscientes de la profundidad de bits para objetivos RISC-V de 32 y 64 bits
• Convenciones de llamada y gestión de marcos de pila para sistemas de software embebidos y en tiempo real

Dominio de la Cadena de Herramientas del Compilador

• Cadena de herramientas del compilador basada en LLVM: Clang, LLVM, Binutils para compilación cruzada RISC-V
• Scripts de enlazador, secciones y configuración de la disposición de la memoria para entornos bare-metal y RTOS
• Integraciones de compilador (intrinsics), niveles de optimización y ajuste de código basado en perfiles (profiling)
• Flujos de trabajo de desarrollo de herramientas de código abierto: construcción, pruebas y empaquetado de herramientas GCC/Clang personalizadas

Desarrollo de Sistemas Embebidos y Sistemas Operativos en Tiempo Real

Programación Bare-Metal y RTOS

• Programación de sistemas en Rust para RISC-V: abstracciones de coste cero, gestión de memoria insegura (unsafe) y desarrollo bare-metal
• Entornos No-Std: enlazadores personalizados, desarrollo de controladores de dispositivos y E/S mapeada en memoria
• Desarrollo de Zephyr RTOS y BSP de Buildroot para objetivos RISC-V
• Interfaz con periféricos: programación de GPIO, I2C, SPI, UART y controladores DMA

Optimización de Energía y Rendimiento

• Cancelación de reloj (clock gating), gestión de dominios de potencia y optimización de modos de bajo consumo
• Análisis de rendimiento exacto a nivel de ciclo con perfiles de simulación y contadores de rendimiento de hardware
• Ajuste de la latencia de interrupciones en tiempo real para aplicaciones críticas de seguridad

Desarrollo del Kernel de Linux y Bootloader para RISC-V

Ecosistema de Firmware de Arranque y Bootloader

• OpenSBI (implementación de la especificación SBI): desarrollo de firmware de bootloader
• UEFI/EDK II en RISC-V: desarrollo de pila de arranque de firmware moderna
• Porteo de Coreboot y U-Boot para ordenadores de placa única RISC-V

Integración del Kernel de Linux

• Contribuciones al kernel principal de RISC-V: superposiciones de árbol de dispositivos (device tree), topología de CPU y desarrollo de controladores de controlador de interrupciones (AIA)
• Desarrollo de BSP de vendedor y configuración del kernel para plataformas SoC personalizadas
• Soporte de sistemas de archivos, pila de redes y soporte de contenerización (Docker, Kubernetes) en sistemas host RISC-V

Diseño de SoC RISC-V y Prototipado con FPGA

Arquitectura e Integración de SoC Multi-núcleo

• Metodologías de diseño de Network-on-Chip (NoC) para procesadores multi-núcleo RISC-V
• Coherencia de caché Axi4/CHI y protocolos de comunicación entre procesadores
• Integración de IP de código abierto: OpenCores, ChIPS Framework y componentes RTL de proveedores
• Diseño de matrices de bus e integración de controladores de memoria (DDR, SRAM, eMMC, PCIe)

Prototipado de Procesadores Basados en FPGA

• Síntesis e implementación de FPGA de núcleos RISC-V (p. ej., BOOM, VexRiscv, PULP)
• Afirmaciones de SystemVerilog (SVA) y metodología de verificación funcional basada en UVM
• Herramientas de verificación formal y pruebas basadas en propiedades para la validación de núcleos RISC-V

Extensiones Vectoriales RISC-V y Aceleración Específica de Dominio

Análisis Profundo de la Extensión RVV (Vectorial RISC-V)

• Carga/almacenamiento vectorial, multiplicación-suma vectorial fusionada (VFMA) y aceleración del cálculo de matrices
• Operaciones vectoriales de longitud variable (VL, VLEN) para ejecución SIMD optimizada para la carga de trabajo
• Operaciones de máscara vectorial, control de segmentos y flexibilidad de tipos de datos para cargas de trabajo DSP y ML

Diseño de DSP Personalizado e Instrucciones Específicas de Dominio

• Diseño de aceleradores específicos de dominio mediante extensiones personalizadas e interfaces de operandos basadas en CBAR
• Modificaciones del frontend del compilador para la generación de instrucciones personalizadas y emisión de código
• Estrategias de partición hardware-software para la integración de aceleradores en SoC de producción

Aceleración de IA y Aprendizaje Automático Perimetral en RISC-V

Diseño e Integración de NPU para Procesadores RISC-V

• Arquitectura de Unidad de Procesamiento Neural: arrays sístolicos, núcleos tensoriales y compresión de pesos para aceleración de IA en el chip
• Técnicas de cuantización de modelos (INT8, INT4, FP8) para despliegue perimetral en RISC-V
• Compatibilidad de marcos de trabajo: TensorFlow Lite Micro, ONNX Runtime y PyTorch Edge en objetivos RISC-V

Computación Heterogénea para Cargas de Trabajo de IA

• Codiseño de CPU host RISC-V con NPU de aceleración de IA para pipelines de inferencia en tiempo real
• Optimización del subsistema de memoria: gestión de ancho de banda HBM/DDR para pesos y activaciones de modelos ML
• Gestión térmica y presupuestación de energía para sistemas de inferencia de IA perimetral

Seguridad de Hardware y Computación Confidencial en RISC-V

Protección de Memoria Física y Ejecución Confiable

• Protección de Memoria Física (PMP) y mecanismos de seguridad del recorrido de tablas de páginas
• Arquitecturas de Enclave Seguro/TEE para RISC-V: integración de OP-TEE, entornos de ejecución confiables de clase SEV
• Seguridad de la cadena de arranque: raíz de confianza, arranque seguro y prueba de lanzamiento medido

Aceleración Criptográfica

• Extensiones criptográficas RISC-V (Zk, Zkr, K): aceleración de SHA, AES, RSA, RSA-PSS y ECC
• Integración de criptografía post-cuántica (PQC) para procesadores RISC-V de próxima generación
• Técnicas de mitigación de ataques por canal lateral: programación en tiempo constante, enmascarado y generadores de números aleatorios de hardware

Arquitectura Personalizada Avanzada y Diseño de Extensiones ISA

Arquitectura Específica de Dominio y Extensiones de Instrucciones Personalizadas

• Metodología de diseño de extensiones ISA: codificación, tablas de codificación, análisis de impacto de ABI y proceso de envío de especificaciones a RISC-V International
• Diseño de archivo de registros personalizado con CBAR (Registros de Dirección Base Personalizada) para el despachado de operandos
• Enrutamiento de instrucciones, detección de peligros y modificaciones de pipeline para extensiones personalizadas

Verificación y Aprobación de Modificaciones de Arquitectura Personalizada

• Diseño de bancada de pruebas (testbench) para extensiones personalizadas: generación de estímulos dirigidos vs. aleatorios con restricciones
• Marco de pruebas de regresión y verificación impulsada por cobertura para modificaciones arquitectónicas
• Pruebas de interoperabilidad: asegurarse de que las instrucciones personalizadas funcionen dentro de las restricciones de ABI establecidas

Aplicaciones RISC-V Críticas de Seguridad y del Sector Automotriz

Cumplimiento de Normas de Seguridad Funcional y del Sector Automotriz

• Cumplimiento de seguridad funcional ISO 26262 para procesadores RISC-V automotrices
• Clasificación ASIL-Q y desarrollo de manuales de seguridad para IP de silicio RISC-V
• Manejo determinista de interrupciones, pares de núcleos en lockstep y protección de memoria para sistemas RISC-V críticos de seguridad

Aplicaciones Industriales en Tiempo Real y de Computación Perimetral

• Cumplimiento de SIL IEC 61508 y programación determinista en plataformas multi-núcleo RISC-V
• Desarrollo de puertas de enlace (gateways) de IoT industrial con RISC-V: conectividad, analítica perimetral y sistemas de actualización de firmware OTA

Proyecto de Grado: Desarrollo de Sistema RISC-V de Extremo a Extremo

Proyecto de Ciclo de Vida Completo

• Especificación de arquitectura: diseño de extensiones ISA y configuración del núcleo para un caso de uso definido
• Implementación RTL en SystemVerilog con bancadas de pruebas UVM y cobertura de verificación formal
• Prototipado en FPGA, desarrollo de firmware de arranque e integración de la pila de controladores bare-metal
• BSP de Linux y personalización de la cadena de herramientas para el núcleo RISC-V personalizado
• Despliegue de carga de trabajo de IA: integración de NPU, cuantización de modelos y benchmark de rendimiento
• Validación de seguridad: aplicación de PMP, arranque seguro y benchmark de aceleración criptográfica
• Documentación de arquitectura técnica, análisis de estrategia de IP y presentación ante equipos multidisciplinarios