基于低功耗RISC-V架构的智能内窥镜检测处理器的设计：EndoRISC-V

《Scientific Reports》：Design of a low-power RISC-V based intelligent endoscopy detection processor: EndoRISC-V

　　

摘要

胶囊内镜是一种用于检查胃肠道的非侵入性方法，但它会生成超过50,000张图像，这些图像需要数小时的手动处理。在可穿戴接收设备中实现实时图像处理可以减少错误，但这要求处理器具备高计算吞吐量，同时还要满足低功耗和低延迟的要求。标准CPU是为通用工作负载设计的，无法处理图像处理操作所需的数学计算和数据吞吐量。本文介绍了EndoRISC-V，这是一种两级可重构的RISC-V哈佛架构，在100 MHz的工作频率下总功耗仅为124 mW。该处理器具有以下特点：(i) 运行时可切换执行单元，可以在标准ALU指令和图像处理指令之间进行选择，其中包含四种扩展指令（MAXPOOL、直方图均衡化、Sobel-X和Sobel-Y），与基线RISC-V相比，吞吐量提高了4.29倍，下采样操作的速度提升了6.75倍；(ii) 具有可变流水线深度（3到5级）的流水线架构，在低功耗模式下，图像密集型工作的周期减少了16.3%。该设计使用Verilog HDL语言实现，综合和实现工作在Xilinx Artix-7 FPGA上进行。在100 MHz的工作频率下，该设计使用了2,971个LUT（查找表）和1,858个触发器，正时裕量为6.898 ns。通过基于边缘的息肉检测，在Kvasir胃肠道数据集上验证了其实时处理能力：该系统能够处理8×8区域的图像，执行时间为3.45 μs，每秒处理60.4帧图像（分辨率为640×480像素），远超临床要求的每秒2–4帧的指标（超出15.1倍）。系统功耗为124 mW，能量效率达到每分类0.428 nJ。定制的图像处理单元使用了115个LUT，占总设计空间的3.9%，其性能比标准RISC-V提高了3.77倍。