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👾 Edge LLM NPU: RTL Architecture & Design

• Rocket Chip 기반 Edge LLM 추론용 NPU 가속기입니다.
• RoCC(custom0 rs1, rs2) 인터페이스로 명령을 받아, "Shoot-and-Go" 방식(Task Descriptor 기반 자율 실행)으로 GEMM·정규화·활성화 파이프라인을 처리합니다.
• Chisel(Scala)로 작성되었습니다.

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⚙️ Architecture

Core Blocks

1. Central Control Unit(Register File, rs1 Decoder, Accumulation Timer)
2. DMA Unit
3. Compute Unit(TPU, VPU Stage1/2, Transposer)
4. OCM(Unified/Weight/VPU/Normalizer/Parameter Buffer)

📄 Specs

👉🏻 전체 명세서 목차와 구현 상태는 docs/specs/README.md 참고해주세요.

👩🏻‍💻 My Implementation Part: Control Unit

Module	Explanation	Source	Spec	Issue
Rs1Decoder	Shoot-and-Go ISA의 rs1(64bit) 전체 디코딩, hw_enables 서브필드 파싱	Rs1Decoder.scala	shoot-and-go-isa.md	-
Register File	AXI4-Lite MMIO, 3-way Multi Write-Port(Interrupt Gen/DMA/Host), Execution Lock, W1C	RegisterFile.scala	register-file-mmio.md	#1
Compute Initializer Unit	Main Brain FSM: 명령 수신부터 연산 시작까지 6단계 오케스트레이션	ComputeInitializerUnit.scala	compute-initializer-unit.md	#2
MXU (Systolic Array)	MacUnit/MatMulUnit_16/DataOrchUnit_16: 16x16 시스톨릭 어레이	MatMul.scala	mxu-systolic-array.md	-

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🚀 개발 환경 설정 가이드

• 본 저장소는 Processing-In-Memory(PIM) 및 Custom HW Accelerator 설계를 위한 Chisel/Rocket-chip 통합 개발 환경입니다.
• Docker를 통해 복잡한 의존성 설치 없이 즉시 설계를 시작할 수 있습니다.

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1️⃣ 사전 준비

시작 전 아래 도구들이 설치되어 있어야 합니다.

• Docker Desktop: 컨테이너 기반 개발 환경 실행
• Git: 소스 코드 버전 관리

2️⃣ 저장소 복제 및 서브모듈 설정

본인의 계정에서 로켓칩 코드를 수정하고 관리하기 위해 메인 레포지토리와 서브모듈을 각각 Fork 해야 합니다.

① GitHub에서 Fork 수행

1. L-ZERO 메인 레포지토리(lzero_01_rtl)를 자신의 계정으로 Fork 합니다.
2. rocket-chip 원본 레포지토리도 자신의 계정으로 Fork 합니다.

② 로컬로 복제 (Recursive Clone)

서브모듈 내용물까지 한 번에 가져오기 위해 --recursive 옵션을 반드시 사용합니다.

# 본인의 포크된 레포지토리 주소를 사용하세요.
git clone --recursive [https://github.com/YOUR_USERNAME/lzero_01_rtl.git](https://github.com/YOUR_USERNAME/lzero_01_rtl.git)
cd lzero_01_rtl

③ [중요] 서브모듈 연결 변경

자신의 포크된 로켓칩에 코드를 Push할 수 있도록 .gitmodules 설정을 본인 계정 주소로 변경합니다.

1. .gitmodules 파일 수정 (텍스트 에디터로 열기)

   [submodule "rocket-chip"]
   path = rocket-chip
   url = [https://github.com/YOUR_USERNAME/rocket-chip.git](https://github.com/YOUR_USERNAME/rocket-chip.git)  # 본인의 포크 주소로 수정

2. 설정 동기화 및 업데이트

   git submodule sync
   git submodule update --init --recursive

3️⃣ 환경 빌드 및 초기 셋업

L-ZERO 전용 Makefile을 통해 환경 구축을 자동화합니다.

① 컨테이너 실행

make up

Docker 이미지를 빌드하고 컨테이너를 백그라운드에서 실행합니다.

② 로켓칩 라이브러리 로컬 빌드 (최초 1회 필수)

Chisel 프로젝트에서 로켓칩 라이브러리를 참조할 수 있도록 로컬에 굽는 과정입니다. 약 5~10분이 소요됩니다.

make setup

cde, diplomacy, hardfloat, rocketchip, macros 등 핵심 모듈이 자동으로 빌드됩니다.

4️⃣ 주요 명령어 사용법 (Makefile)

터미널에서 아래 명령어를 사용하여 개발 사이클을 관리하세요.

1. make up: Docker 컨테이너 실행 및 환경 빌드
2. make shell: 컨테이너 내부 터미널 접속 (디버깅/수동 조작용)
3. make setup: 로켓칩 핵심 라이브러리 로컬 빌드 (최초 1회 필수)
4. make gen: Chisel 코드를 SystemVerilog로 컴파일
5. make clean: SBT 빌드 부산물 및 생성된 Verilog 파일 삭제 (가벼운 초기화)
6. make down: 컨테이너 실행 종료

5️⃣ 개발 워크플로우 (Example)

코드 수정: 로컬의 src/main/scala/ 경로에서 Chisel 코드를 설계합니다.

Verilog 생성: 터미널에서 make gen 명령어를 실행합니다.

결과 확인: 성공 시 generated/ 폴더 내에 생성된 .sv 파일을 확인합니다.

⚠️ 주의사항

• 메모리 할당: Docker Desktop 설정에서 최소 4GB~8GB 이상의 RAM을 할당해야 로켓칩 빌드 시 OutOfMemory 에러가 발생하지 않습니다.
• CPU 아키텍처 호환성: 본 환경은 Windows/Intel 및 Apple Silicon(M1/M2) 아키텍처 호환성을 모두 지원하도록 설계되었습니다.

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📚 사전학습: Rocket-chip & Chisel 공식 학습 리소스

• Rocket-chip과 Chisel은 상용 툴이 아닌 오픈소스 프로젝트이므로, 정규 인터넷 강의보다는 공식 튜토리얼, 공식 문서, 그리고 대학의 오픈 코스웨어 를 직접 따라 해보는 것이 가장 빠르고 확실한 학습 방법입니다.
• L-ZERO 학회원들은 아래의 Phase 순서대로 스터디를 진행하는 것을 권장합니다.

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🔤 Chisel

Rocket-chip의 코어 로직을 이해하고 수정하려면 가장 먼저 Chisel(Scala 기반)에 익숙해져야 합니다. Verilog와 달리 객체 지향 및 함수형 프로그래밍 패러다임을 하드웨어 설계에 도입한 언어입니다.

• Chisel Bootcamp (GitHub)
  • 설명: UC 버클리에서 제공하는 가장 완벽한 대화형 공식 튜토리얼 입니다. Jupyter Notebook 환경에서 웹 브라우저를 통해 Chisel 코드를 직접 짜고 즉시 회로(Verilog)가 어떻게 생성되는지 눈으로 확인할 수 있습니다.
  • 활용 팁: 환경 설정 없이 웹에서 바로 실행 가능하므로, 학회원들의 첫 주차 스터디 과제로 매우 적합합니다.
• Chisel 3 Documentation
  • 설명: Chisel의 공식 API 및 문법 가이드 문서입니다. 코딩 중 모르는 모듈(예: Decoupled , Valid , RegInit )이 나올 때 사전처럼 활용하세요.
• Chisel Cheatsheet (PDF)
  • 설명: 자주 쓰이는 Chisel 문법을 한 장으로 요약한 치트시트입니다. 출력해서 모니터 옆에 붙여두는 것을 강력히 추천합니다.

🚀 아키텍처 및 SoC 통합 (Rocket-chip & Chipyard)

Chisel에 익숙해졌다면, Rocket-chip 본체의 구조를 파악하고 커스텀 하드웨어 가속기(Accelerator)를 붙이는 방법을 배웁니다.

• The Rocket Chip Generator (Technical Report)
  • 설명: 2016년에 발표된 Rocket-chip의 근본이 되는 공식 기술 논문(PDF)입니다.
  • 활용 팁: 코드를 보기 전, 코어 파이프라인(5-stage)과 캐시 구조, 전체적인 시스템 다이어그램을 머릿속에 그릴 때 반드시 읽어야 하는 바이블입니다.
• Chipyard Official Documentation
  • 설명: 현재 전 세계적으로 Rocket-chip을 다룰 때 가장 많이 사용하는 SoC 제너레이터 프레임워크인 'Chipyard'의 공식 문서입니다.
  • 핵심 포인트: 문서 내의 "Customization" 파트를 보면 RoCC (Rocket Custom Coprocessor) 인터페이스를 사용하여 나만의 가속기(Accelerator)를 코어에 직접 연결하는 방법이 상세히 나와 있습니다. PIM 또는 행렬 연산기 설계 시 필수적인 내용입니다.

🚌 내부 버스 프로토콜 (Diplomacy & TileLink)

메모리 병목을 해결하거나 시스템 레벨의 병렬 처리를 설계하기 위해 반드시 알아야 하는 데이터 통신 규약입니다.

• TileLink Specification
  • 설명: Rocket-chip 내부의 모듈들이 데이터를 주고받는 표준 버스 프로토콜인 TileLink의 공식 스펙 문서입니다. ARM의 AXI 프로토콜과 비교하며 공부하기 좋습니다. 캐시 일관성(Cache Coherence) 관리에 유리하게 설계되었습니다.
• Diplomacy Framework Tutorial
  • 설명: 파라미터 협상 프레임워크인 Diplomacy의 개념을 설명하는 문서입니다. 초기 진입 장벽이 매우 높지만, 모듈 간의 연결(Node)과 주소 공간(Address Map)을 자동으로 구성하기 위해 꼭 넘어야 할 산입니다.

🖐🏻 대학 오픈 코스웨어 (Hands-on Labs)

실제 아키텍처 수업에서 이 툴들을 사용하여 어떻게 과제를 진행하는지 직접 확인하고 실습해 볼 수 있습니다.

• UC Berkeley CS152: Computer Architecture and Engineering
  • 설명: 버클리의 학부 아키텍처 수업입니다. 학기마다 업데이트되는 강의 슬라이드는 물론, 실제 Lab 과제 자료(RISC-V 툴체인 활용 및 Chisel 기반 프로세서 파이프라인 설계 실습) 가 공개되어 있습니다.
  • 활용 팁: L-ZERO 학회의 자체 커리큘럼이나 해커톤 주제를 짤 때 벤치마킹하기 가장 좋은 레퍼런스입니다.
• CS252: Graduate Computer Architecture
  • 설명: 심화 과정을 원한다면 대학원 레벨의 아키텍처 강의 자료를 참고하세요. BOOM(Berkeley Out-of-Order Machine) 코어와 같은 더 복잡한 슈퍼스칼라 아키텍처를 다룹니다.