Opiskelijat koodasivat avoimen mikroprosessorin, jolla yritykset voivat tehdä mitä haluavat

Syyskuussa Euroopan komission puheenjohtaja Ursula von der Leyen vaatii Euroopalta toimia Euroopan puolijohdeteollisuuden vahvistamiseksi. Puolijohteita ovat muun muassa mikroprosessorit, joita tarvitaan nykyään lähes kaikessa tekniikassa kaukosäätimistä autoihin ja lentokoneisiin. 

Ryhmä Aalto-yliopiston mikroelektroniikan opiskelijoita toteutti jo kesällä RISC-V -mikroprosessorin laitteistokuvauksen ja on nyt julkaissut sen avoimesti verkossa. Työ perustuu Berkeleyn yliopistossa kehitettyyn avoimeen RISC-V-prosessoriarkkitehtuuriin, kertoo Berkeleyssa itsekin työskennellyt, opiskelijoiden työtä ohjannut vanhempi yliopistonlehtori Marko Kosunen. 

”Neljän teekkarin porukka koodasi sen kesän aikana. Nyt prosessori on siinä vaiheessa, että sitä voisi ryhtyä valmistamaan.” 

Prosessorin koodaus ja verifiointi oli mainio kesätyö, kertovat Julius Helander, Leo Uusimäki ja Otto Simola. 

“Vaikea kuvitella parempaa: konkreettista suunnittelua, ja koodi jää vielä elämään tulevaisuudessa projektin osana.”

Samaa mieltä on aiheesta kandidaatintyönkin tehnyt Verneri Hirvonen.

“Prosessorin kehitystyö ja sen verifiointiympäristön rakentaminen antoivat mahdollisuuden konkreettisesti hyödyntää opiskelujen alkuvaiheessa hankittuja taitoja ohjelmoinnista ja elektroniikasta.”

Suljetusta avoimeen 

Nokian matkapuhelimien nousu 1990-luvulla perustui vahvaan mikroelektroniikan osaamiseen, jota rakennettiin muun muassa TKK:n piiritekniikan laboratoriossa. Vaikka mikroelektroniikan ja prosessorien – ja myöhemmin puhelinten – valmistuksesta luovuttiin, Suomeen jäi paljon alaan liittyvää osaamista.  

Tällä hetkellä maailman tarvitsemien mikroprosessorien suunnittelu ja valmistus on tukevasti suurten yhdysvaltalais- ja aasialaisjättien hallussa. Prosessorit ovat pääosin suljettuja ja patentoituja järjestelmiä, mikä tarkoittaa, ettei niitä ostavilla ja käyttävillä yrityksillä ole mahdollisuutta tehdä niihin muutoksia. 

”Jos joku niin päättää tehdä ja vielä onnistuukin siinä, rikkoo todennäköisesti patenttia ja lisenssiä, ja vastaa siitä oikeudessa”, Kosunen sanoo. 

Mikroprosessorin toimintaa ohjaa käskykantakuvaus. Se on tekninen dokumentti, joka määrittelee, miten mikroprosessorin tulee reagoida sille välitettyihin komentoihin. 

Intelin ja ARM:n kaltaisten suurten valmistajien käskykannat ovat salattuja. Aallon opiskelijoiden koodaaman RISC-V käskykanta on avoin, kaikkien saatavilla ja suunniteltu muokattavaksi ja laajennettavaksi omiin tarpeisiin. 

Kosunen korostaa, että kyseessä on vasta yhden ytimen prosessori. Esimerkiksi tekoälysovelluksissa ytimiä voi olla kymmenistä satoihin.  Avoimen prosessorin etu on kuitenkin muokkautuvuus, jonka ansiosta Aallonkin prosessori voisi toimia hyvin erilaisissa ympäristöissä.  

”Salausalgoritmien ja signaalinkäsittelyn kiihdyttimet, verkkolaitteet, 6G- ja sen jälkeen 7G-lähetinvastaanottimet”, Kosunen luettelee. 

”Periaatteessa sillä voidaan ohjata mitä tahansa.” 

Kova tarve teollisuudessa 

Idea oman mikroprosessorin suunnittelusta heräsi puolitoista vuotta sitten mikroelektroniikkasuunnittelun professorin Jussi Ryynäsen ja Nokian edustajien tapaamisessa. Esiin nousi kasvava tarve prosessorisuunnittelun osaamiselle sekä kiinnostus avoimen ympäristön prosessorikehitykseen. 

Nokian lisäksi hankkeessa ovat mukana Saab, CoreHW, Xiphera sekä Minima Processor, ja sitä rahoittaa myös Business Finland.

”Meidän tavoitteemme on kouluttaa Suomen parhaita mikroelektroniikan analogia- digitaali- ja sekamuotojärjestelmien suunnittelijoita ja sisällyttää prosessorisuunnittelu osaksi mikroelektroniikan tohtorikoulutusta”, Ryynänen sanoo ja painottaa, että kyseessä on Suomelle ja Euroopalle strateginen ala. 

”Ilman omaa suunnitteluosaamista olemme sen armoilla, mitä Yhdysvaltojen ja Taiwanin mikroelektroniikka valmistajat meille tarjoavat.”