Développement du Moteur JavaScript V8 pour l'Architecture RISC-V

Résumé Rapide

Le développement du moteur JavaScript V8 pour l'architecture RISC-V constitue un effort d'ingénierie complexe visant à adapter un environnement d'exécution haute performance à un nouveau jeu d'instructions. Le processus de portage implique de naviguer dans les subtilités du système de compilation multi-niveaux de V8, qui inclut des composants comme l'interpréteur Ignition et le compilateur optimiseur Turbofan.

Un travail technique significatif est requis pour faire correspondre les opérations internes de V8 au jeu d'instructions spécifique de RISC-V, en particulier la variante RV64GC. Cela inclut la mise en œuvre du support pour les instructions de base, les extensions standard (F et D pour les virgules flottantes) et l'extension d'instructions compressées (C). Le processus de développement aborde des défis critiques tels que l'allocation des registres, les contraintes d'ordre mémoire et l'adaptation des mécanismes de ramasse-miettes de V8 pour fonctionner efficacement avec le modèle mémoire de RISC-V.

Des progrès ont été réalisés sur le compilateur de base, établissant une fondation fonctionnelle pour la génération de code. Des travaux supplémentaires sont dirigés vers le compilateur optimiseur, qui nécessite une sélection et une planification d'instructions sophistiquées pour tirer pleinement parti des capacités de RISC-V. L'article détaille les efforts continus pour intégrer ces composants et atteindre des objectifs de performances comparables à ceux d'autres plateformes prises en charge.

Portage de V8 vers RISC-V : Fondements Techniques

Porter le moteur JavaScript V8 vers une nouvelle architecture comme RISC-V nécessite une compréhension approfondie de l'architecture interne du moteur et du jeu d'instructions cible. V8 n'est pas une entité monolithique mais un système complexe composé de plusieurs composants distincts qui doivent être adaptés individuellement. L'objectif principal est de s'assurer que le code JavaScript peut être analysé, interprété, compilé et exécuté efficacement sur le matériel RISC-V.

La phase initiale du portage se concentre sur l'interpréteur Ignition. Ignition génère du bytecode qui est ensuite exécuté par un gestionnaire de bytecode spécifique à la plateforme. Pour RISC-V, cela signifie écrire des routines d'assemblage ou générer du code machine qui implémente les opérations de bytecode. Cette étape est cruciale pour faire fonctionner un environnement d'exécution de base, permettant l'exécution de scripts simples.

À la suite de l'interpréteur, le compilateur optimiseur Turbofan doit être pris en charge. Turbofan est un compilateur sophistiqué qui prend la représentation intermédiaire (IR) de haut niveau de V8 et génère du code machine optimisé. Cela implique plusieurs étapes :

• Sélection des instructions : Faire correspondre les nœuds IR de V8 à des instructions RISC-V spécifiques.
• Allocation des registres : Affecter les registres virtuels aux registres physiques disponibles sur RISC-V.
• Planification des instructions : Réorganiser les instructions pour maximiser l'efficacité du pipeline sur la microarchitecture cible.

De plus, V8 repose fortement sur un mécanisme connu sous le nom de compression de pointeurs. Cette technique réduit l'empreinte mémoire en stockant des décalages de 32 bits au lieu de pointeurs complets de 64 bits, en supposant une taille de tas inférieure à 4 Go. Adapter ce schéma pour RISC-V nécessite de s'assurer que les décalages de 32 bits peuvent être manipulés correctement à l'aide des instructions arithmétiques 64 bits de RISC-V, ce qui ajoute une couche de complexité à l'effort de portage.

Défis et Solutions Spécifiques à RISC-V

L'architecture RISC-V présente des défis uniques qui diffèrent des architectures historiques comme x86 ou ARM. L'une des principales considérations est le modèle mémoire. RISC-V possède un modèle mémoire faiblement ordonné, ce qui signifie que les opérations mémoire (charges et stockages) peuvent être réordonnées par le CPU à moins que des instructions de barrière explicites ne soient utilisées. Cela contraste avec les modèles mémoire plus robustes trouvés dans d'autres architectures.

Le ramasse-miettes de V8 et les threads de compilation concurrents reposent sur des garanties d'ordre mémoire spécifiques pour fonctionner correctement. Le portage doit insérer soigneusement des barrières mémoire appropriées ou utiliser des instructions atomiques là où c'est nécessaire pour maintenir la cohérence des données. Par exemple, lors de la mise à jour des références aux objets sur le tas, l'ordre des écritures est critique pour éviter les conditions de course.

Un autre domaine important est la gestion des opérations atomiques et des verrous. L'objet SharedArrayBuffer et Atomics de JavaScript permettent la programmation multi-thread dans le navigateur. L'implémentation sous-jacente nécessite le support matériel pour les opérations atomiques de lecture-modification-écriture (comme LR/SC - Load-Reserved/Store-Conditional sur RISC-V). Le portage doit implémenter ces primitives efficacement pour supporter les applications web modernes.

Le jeu d'instructions compressé (extension C) dans RISC-V réduit la taille du code en fournissant des encodages de 16 bits pour les instructions courantes. Bien que bénéfique pour les performances (améliorant les taux de réussite du cache d'instructions), cela introduit de la complexité pour le compilateur. Le compilateur Turbofan doit être conscient de ces instructions compressées et décider quand il est optimal de les utiliser par rapport aux instructions complètes de 32 bits, équilibrant la taille du code contre la vitesse d'exécution.

État Actuel et Perspectives Futures

D'après les dernières mises à jour, le projet V8 sur RISC-V a atteint des jalons significatifs. La base de code a été intégrée au dépôt principal de V8, permettant des tests et un développement continus. Le projet prend en charge le profil RV64GC, qui est la configuration 64 bits standard avec support d'instructions entières, à virgule flottante et compressées.

Les efforts actuels se concentrent sur la fermeture de l'écart de performance entre le portage RISC-V et les portages matures comme x64 et ARM64. Cela implique de profiler le code généré pour identifier les goulots d'étranglement et d'optimiser les algorithmes de sélection et de planification d'instructions dans Turbofan. Les domaines spécifiques d'optimisation incluent :

• L'amélioration des performances à virgule flottante.
• L'optimisation du code généré pour l'accès aux propriétés d'objets JavaScript.
• La réduction de la surcharge des appels de fonction et des changements de contexte.

Pour l'avenir, le projet vise à supporter les futures extensions de l'architecture RISC-V, telles que l'extension V pour le traitement vectoriel, qui pourrait accélérer certaines charges de travail JavaScript comme le traitement d'images ou l'inférence de machine learning. La collaboration continue entre la communauté RISC-V et l'équipe de développement de V8 est essentielle pour apporter une exécution JavaScript haute performance à l'écosystème croissant d'appareils basés sur RISC-V.