بديل مفتوح لـ Intel و ARM: ما هو RISC-V؟

إذا كنت ترغب في إنشاء جهاز كمبيوتر مفتوح المصدر ، يمكنك — إذا كنت تتحدث عن البرامج. ومع ذلك ، فإن المعالج الموجود تحت الغطاء مملوك. RISC-V هو تصميم معالج مفتوح المصدر يكتسب زخمًا سريعًا ويعد بتغيير مشهد الحوسبة.

بديل لتصميمات Intel و ARM

في الوقت الحالي ، يسود تصميمان للمعالجين: التصميمان اللذان تم إنشاؤهما بواسطة ARM و x86 من Intel. بينما تعمل كلتا الشركتين على نطاق هائل ، تختلف نماذج أعمالهما اختلافًا جوهريًا.

تصمم Intel وتصنع رقائقها الخاصة ، بينما ترخص ARM تصميماتها لمصممي الطرف الثالث ، مثل Qualcomm و Samsung ، الذين يضيفون بعد ذلك تحسيناتهم الخاصة. بينما تتمتع Samsung بالبنية التحتية اللازمة لتصنيع معالجاتها داخل الشركة ، فإن شركة Qualcomm (وغيرها من المصممين "fabless") تستعين بهذا العمل الهام لأطراف ثالثة.

في حالة ARM ، غالبًا ما يتطلب ذلك من المرخصين توقيع اتفاقيات عدم إفشاء مصممة للحفاظ على خصوصية جوانب تصميم الشريحة. هذا ليس مفاجئًا ، نظرًا لأن نموذج أعمالها بالكامل لا يتمحور حول التصنيع ، بل الملكية الفكرية.

وفي الوقت نفسه ، تمتلك Intel أسرار التصميم التجاري الخاصة بها تحت القفل والمفتاح. نظرًا لأن كلا نوعي المعالجات تجاريان ، فمن الصعب (إن لم يكن مستحيلًا تمامًا) على الأكاديميين والمتسللين مفتوحين المصدر التأثير على التصميم.

كيف يختلف RISC-V

يختلف RISC-V اختلافًا كبيرًا. أولاً ، إنها ليست شركة. تم تصميمه لأول مرة في عام 2010 من قبل أكاديميين في جامعة كاليفورنيا في بيركلي كبديل مفتوح المصدر وخالي من حقوق الملكية لشاغلي الوظائف الحاليين.

إنه مشابه لتثبيت Linux بدلاً من Windows ، لذا لن تضطر إلى شراء أي شيء أو الموافقة على أي اتفاقيات ترخيص مرهقة. يهدف RISV-V إلى فعل الشيء نفسه بالنسبة لأبحاث وتصميم أشباه الموصلات.

يرخص ARM أيضًا كلاً من بنية مجموعة التعليمات (ISA) ، والتي تشير إلى الأوامر التي يمكن أن يفهمها المعالج أصلاً ، والبنية الدقيقة ، والتي توضح كيفية تنفيذها.

يقدم RISC-V فقط ISA ، مما يسمح للباحثين والمصنعين بتحديد الكيفية التي يريدون استخدامها بالفعل. هذا يجعله قابلاً للتطوير للأجهزة من جميع الأشرطة ، من شرائح 16 بت منخفضة الطاقة للأنظمة المدمجة ، إلى معالجات 128 بت لأجهزة الكمبيوتر العملاقة.

كما يوحي الاسم ، يستخدم RISC-V مبادئ كمبيوتر مجموعة التعليمات المخفضة (RISC) ، تمامًا مثل الرقائق المستندة إلى تصميمات ARM و MIPS و SPARC و Power.

ماذا يعني هذا؟ حسنًا ، في قلب أي معالج كمبيوتر ، هناك أشياء تسمى التعليمات. في أبسط المصطلحات ، هذه برامج صغيرة ممثلة في الأجهزة التي تخبر المعالج بما يجب القيام به.

تحتوي الرقائق المستندة إلى RISC عادةً على تعليمات أقل من الرقائق التي تستخدم تصميم كمبيوتر مجموعة التعليمات المعقدة (CISC) ، مثل تلك التي تقدمها Intel. علاوة على ذلك ، فإن التعليمات نفسها أسهل بكثير في التنفيذ في الأجهزة.

تعليمات أبسط تعني أن مصنعي الرقائق يمكن أن يكونوا أكثر كفاءة مع تصميمات الرقائق الخاصة بهم. المفاضلة هي أن هذه المهام المعقدة نسبيًا لا يقوم بها المعالج. بدلاً من ذلك ، يتم تقسيمها إلى تعليمات متعددة وأصغر بواسطة البرنامج.

نتيجة لذلك ، حصل RISC على لقب "عزل الأشياء المهمة إلى المترجم". على الرغم من أن هذا يبدو شيئًا سيئًا ، إلا أنه ليس كذلك. لفهم ذلك ، على الرغم من ذلك ، عليك أولاً أن تفهم ما هو معالج الكمبيوتر في الواقع.

يتكون المعالج في هاتفك أو جهاز الكمبيوتر من مليارات المكونات الصغيرة التي تسمى الترانزستورات. في حالة الرقائق القائمة على CISC ، فإن العديد من هذه الترانزستورات تمثل التعليمات المختلفة المتاحة.

نظرًا لأن شرائح RISC تحتوي على تعليمات أقل وأبسط ، فلن تحتاج إلى الكثير من الترانزستورات. هذا يعني أن لديك مساحة أكبر للقيام بالكثير من الأشياء الشيقة. على سبيل المثال ، يمكنك تضمين المزيد من ذاكرة التخزين المؤقت وسجلات الذاكرة ، أو وظائف إضافية للذكاء الاصطناعي ومعالجة الرسومات.

يمكنك أيضًا جعل الشريحة أصغر ماديًا باستخدام عدد أقل من الترانزستورات الإجمالية. هذا هو سبب وجود الرقائق المستندة إلى RISC من MIPS و ARM بشكل متكرر في أجهزة إنترنت الأشياء (IoT).

الحاجة إلى السرعة

بالطبع ، ليس الترخيص هو الأساس المنطقي الوحيد لـ RISC-V. قال ديفيد باترسون ، الذي قاد المشاريع البحثية الأولى في تصميم معالج RISC ، إن RISC-V صُمم لمعالجة القيود الوشيكة على أداء وحدة المعالجة المركزية التي يمكن اكتسابها من تحسينات التصنيع.

كلما زاد عدد الترانزستورات التي يمكنك وضعها في شريحة ، زادت قدرة المعالج في النهاية. نتيجة لذلك ، يعمل مصنعو الرقائق مثل TSMC و Samsung (اللذان يصنعان معالجات نيابة عن أطراف ثالثة) بجد لتقليص حجم الترانزستورات بشكل أكبر.

كان أول معالج دقيق تجاري ، Intel 4004 ، يحتوي فقط على 2250 ترانزستور ، يبلغ قياس كل منها 10000 نانومتر (حوالي 0.01 مم). صغير ، بالتأكيد ، لكنه يتناقض مع معالج A14 Bionic من Apple ، الذي تم إصداره بعد 40 عامًا. تحتوي هذه الرقاقة (التي تشغل iPad Air الجديد) على 11.8 مليار ترانزستور ، يبلغ قطر كل منها 5 نانومتر.

في عام 1965 ، افترض جوردون إي مور ، الشريك المؤسس لشركة إنتل ، أن عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على شريحة سيتضاعف كل عامين.

كتب مور في عدد الذكرى الخامسة والثلاثين لمجلة الإلكترونيات : "لقد زاد تعقيد الحد الأدنى من تكاليف المكونات بمعدل ضعفين سنويًا". بالتأكيد ، على المدى القصير ، يمكن توقع استمرار هذا المعدل ، إن لم يكن في الزيادة. على المدى الطويل ، يكون معدل الزيادة غير مؤكد إلى حد ما ، على الرغم من عدم وجود سبب للاعتقاد بأنه لن يظل ثابتًا تقريبًا لمدة 10 سنوات على الأقل ".

من المتوقع أن يتوقف تطبيق قانون مور هذا العقد. هناك أيضًا شك كبير حول ما إذا كان بإمكان مصنعي الرقائق الاستمرار في هذا الاتجاه نحو التصغير على المدى الطويل. وهذا ينطبق على كل من المستوى العلمي الأساسي والمستوى الاقتصادي.

الترانزستورات الأصغر ، في النهاية ، أكثر تعقيدًا وتكلفة في التصنيع. TSMC ، على سبيل المثال ، أنفقت أكثر من 17 مليار دولار على مصنعها لإنتاج رقائق 5 نانومتر. بالنظر إلى هذا الجدار المبني من الطوب ، تهدف شركة Risk-V إلى معالجة مشكلة الأداء من خلال النظر في طرق إلى جانب تقليص حجم وعدد الترانزستورات.

تستخدم الشركات بالفعل RISC-V

بدأ مشروع RISC-V في عام 2010 ، وتم تصنيع أول شريحة تستخدم ISA في عام 2011. وبعد ثلاث سنوات ، أصبح المشروع عامًا ، وسرعان ما تبع ذلك الاهتمام التجاري. يتم استخدام التكنولوجيا بالفعل من قبل شركات مثل NVIDIA و Alibaba و Western Digital.

المفارقة هي أنه لا يوجد شيء مبتكر بطبيعته حول RISC-V. تلاحظ المؤسسة على صفحة الويب الخاصة بها: "يعتمد RISC-V ISA على أفكار هندسة الكمبيوتر التي يعود تاريخها إلى 40 عامًا على الأقل."

يمكن القول إن ما يعتبر رائدًا هو نموذج الأعمال - أو عدم وجود نموذج. هذا هو الذي يعرض المشروع للتجربة والتطوير ، وربما النمو غير المقيد. كما تلاحظ مؤسسة RISC-V أيضًا على موقعها على الإنترنت:

"الفائدة هي لأنها معيار مجاني ومفتوح شائع يمكن نقل البرامج إليه ، والذي يسمح لأي شخص بتطوير أجهزته الخاصة لتشغيل البرنامج بحرية."

حتى كتابة هذه السطور ، كانت رقائق RISC-V تكدح إلى حد كبير خلف الكواليس في مزارع الخوادم وكمتحكمات دقيقة. يبقى أن نرى ما إذا كان هناك أي احتمال لتغيير احتكار ARM / Intel ISA في مساحة المستهلك.

ومع ذلك ، في حالة ركود شاغلي المناصب ، فمن الممكن أن يركض حصان أسود ويغير كل شيء.