Eine offene Alternative zu Intel und ARM: Was ist RISC-V?

Wenn Sie einen Open-Source-Computer bauen möchten, können Sie das – wenn Sie über Software sprechen. Der Prozessor unter der Haube ist jedoch proprietär. RISC-V ist ein Open-Source-Prozessordesign, das schnell an Zugkraft gewinnt und verspricht, die Computerlandschaft zu verändern.

Eine Alternative zu Intel- und ARM-Designs

Derzeit dominieren zwei Prozessordesigns: die von ARM und Intels x86. Obwohl beide Unternehmen in enormem Umfang tätig sind, unterscheiden sich ihre Geschäftsmodelle grundlegend.

Intel entwirft und fertigt seine eigenen Chips, während ARM seine Designs an Drittanbieter wie Qualcomm und Samsung lizenziert, die dann ihre eigenen Verbesserungen hinzufügen. Während Samsung über die Infrastruktur verfügt, um seine Prozessoren im eigenen Haus herzustellen, lagert Qualcomm (und andere „Fabless“-Designer) diese wichtige Arbeit an Dritte aus.

Im Fall von ARM erfordert dies auch oft, dass Lizenzgeber Geheimhaltungsvereinbarungen unterzeichnen, um Aspekte des Designs eines Chips geheim zu halten. Das ist kaum verwunderlich, wenn man bedenkt, dass das gesamte Geschäftsmodell nicht auf Fertigung, sondern auf geistiges Eigentum ausgerichtet ist.

Inzwischen hat Intel seine eigenen kommerziellen Designgeheimnisse unter Verschluss. Da beide Prozessortypen kommerziell sind, ist es für Akademiker und Open-Source-Hacker schwierig (wenn nicht sogar unmöglich), das Design zu beeinflussen.

Wie RISC-V anders ist

RISC-V ist völlig anders. Erstens ist es kein Unternehmen. Es wurde erstmals 2010 von Wissenschaftlern der University of California in Berkeley als gebührenfreie Open-Source-Alternative zu den bestehenden etablierten Anbietern konzipiert.

Es ähnelt der Installation von Linux anstelle von Windows, sodass Sie nichts kaufen oder belastenden Lizenzvereinbarungen zustimmen müssen. RISV-V zielt darauf ab, dasselbe für die Halbleiterforschung und das Design zu tun.

ARM lizenziert auch sowohl die Instruction Set Architecture (ISA), die sich auf die Befehle bezieht, die von einem Prozessor nativ verstanden werden können, als auch die Mikroarchitektur, die zeigt, wie sie implementiert werden kann.

RISC-V bietet lediglich die ISA an, sodass Forscher und Hersteller definieren können, wie sie sie tatsächlich verwenden möchten. Dadurch ist es für Geräte aller Art skalierbar, von stromsparenden 16-Bit-Chips für eingebettete Systeme bis hin zu 128-Bit-Prozessoren für Supercomputer.

Wie der Name schon sagt, verwendet RISC-V die Prinzipien des Computers mit reduziertem Befehlssatz (RISC), genau wie Chips, die auf ARM-, MIPS-, SPARC- und Power-Designs basieren.

Was bedeutet das? Nun, im Herzen eines jeden Computerprozessors gibt es Dinge, die Anweisungen genannt werden. Im Grunde genommen sind dies kleine Programme, die in Hardware dargestellt werden und dem Prozessor mitteilen, was er tun soll.

RISC-basierte Chips haben normalerweise weniger Befehle als Chips, die ein Computerdesign mit komplexem Befehlssatz (CISC) verwenden, wie sie von Intel angeboten werden. Darüber hinaus sind die Anweisungen selbst viel einfacher in der Hardware zu implementieren.

Einfachere Anweisungen bedeuten, dass Chiphersteller mit ihren Chipdesigns viel effizienter sein können. Der Nachteil ist, dass diese relativ komplexen Aufgaben nicht vom Prozessor ausgeführt werden. Stattdessen werden sie per Software in mehrere kleinere Anweisungen zerlegt.

Aus diesem Grund hat sich RISC den Spitznamen Relegate the Important Stuff to the Compiler verdient. Während das wie eine schlechte Sache klingt, ist es nicht. Um es zu verstehen, muss man jedoch zuerst verstehen, was ein Computerprozessor eigentlich ist.

Der Prozessor in Ihrem Telefon oder Computer besteht aus Milliarden winziger Komponenten, die als Transistoren bezeichnet werden. Im Fall von CISC-basierten Chips repräsentieren viele dieser Transistoren die verschiedenen verfügbaren Befehle.

Da RISC-Chips weniger, einfachere Befehle haben, brauchen Sie nicht viele Transistoren. Das bedeutet, dass Sie mehr Platz haben, um viele interessante Dinge zu tun. Beispielsweise könnten Sie mehr Cache- und Speicherregister oder zusätzliche Funktionen für die KI- und Grafikverarbeitung hinzufügen.

Sie können den Chip auch physisch kleiner machen, indem Sie insgesamt weniger Transistoren verwenden. Aus diesem Grund sind RISC-basierte Chips von MIPS und ARM häufig in Internet of Things (IoT)-Geräten zu finden.

Das Verlangen nach Geschwindigkeit

Natürlich ist die Lizenzierung nicht der einzige Grund für RISC-V. David Patterson, der die ersten Forschungsprojekte im RISC-Prozessordesign leitete, sagte, RISC-V sei darauf ausgelegt, die bevorstehenden Grenzen der CPU-Leistung anzugehen, die durch Fertigungsverbesserungen erreicht werden können.

Je mehr Transistoren auf einem Chip untergebracht werden können, desto leistungsfähiger wird letztendlich ein Prozessor. Infolgedessen arbeiten Chiphersteller wie TSMC und Samsung (die beide Prozessoren im Auftrag Dritter herstellen) hart daran, die Größe der Transistoren noch weiter zu verkleinern.

Der erste kommerzielle Mikroprozessor, der Intel 4004, hatte nur 2.250 Transistoren mit einer Größe von jeweils 10.000 Nanometern (etwa 0,01 mm). Klein, sicherlich, aber im Gegensatz dazu Apples A14 Bionic-Prozessor, der 40 Jahre später auf den Markt kam. Dieser Chip (der das neue iPad Air antreibt) hat 11,8 Milliarden Transistoren mit einem Durchmesser von jeweils 5 Nanometern.

1965 stellte Gordon E. Moore, der Mitbegründer von Intel, die Theorie auf, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einem Chip untergebracht werden könnten, alle zwei Jahre verdoppeln würde.

„Die Komplexität für minimale Komponentenkosten hat ungefähr um den Faktor zwei pro Jahr zugenommen“, schrieb Moore in der Ausgabe des Electronics Magazine zum 35-jährigen Jubiläum. „Sicherlich ist kurzfristig zu erwarten, dass diese Rate anhält, wenn nicht sogar steigt. Längerfristig ist die Steigerungsrate etwas unsicherer, obwohl es keinen Grund zu der Annahme gibt, dass sie nicht mindestens 10 Jahre lang annähernd konstant bleiben wird.“

Das Mooresche Gesetz wird voraussichtlich in diesem Jahrzehnt nicht mehr gelten. Auch ist fraglich, ob die Chiphersteller diesen Trend zur Miniaturisierung langfristig fortsetzen können. Dies gilt sowohl auf grundlagenwissenschaftlicher als auch auf wirtschaftlicher Ebene.

Kleinere Transistoren sind schließlich wesentlich komplizierter und teurer in der Herstellung. TSMC hat zum Beispiel über 17 Milliarden Dollar für seine Fabrik ausgegeben, um 5-nm-Chips herzustellen. Angesichts dieser Mauer versucht Risk-V, das Leistungsproblem anzugehen, indem es nach Wegen sucht, die nicht nur die Größe und Anzahl der Transistoren verringern.

Unternehmen nutzen bereits RISC-V

Das RISC-V-Projekt startete 2010, und der erste Chip mit ISA wurde 2011 hergestellt. Drei Jahre später ging das Projekt an die Öffentlichkeit, und bald folgte kommerzielles Interesse. Die Technologie wird bereits von Unternehmen wie NVIDIA, Alibaba und Western Digital eingesetzt.

Die Ironie ist, dass RISC-V nichts Bahnbrechendes an sich hat. Die Stiftung stellt auf ihrer Webseite fest: „Die RISC-V ISA basiert auf Computerarchitekturideen, die mindestens 40 Jahre zurückreichen.“

Was jedoch wohl bahnbrechend ist, ist das Geschäftsmodell – oder das Fehlen eines solchen. Dies setzt das Projekt dem Experimentieren, der Entwicklung und möglicherweise dem ungehinderten Wachstum aus. Wie die RISC-V Foundation auch auf ihrer Website feststellt:

„Das Interesse besteht darin, dass es sich um einen gemeinsamen freien und offenen Standard handelt, auf den Software portiert werden kann und der es jedem ermöglicht, seine eigene Hardware frei zu entwickeln, um die Software auszuführen.“

Während ich dies schreibe, arbeiten RISC-V-Chips größtenteils hinter den Kulissen in Serverfarmen und als Mikrocontroller. Es bleibt abzuwarten, ob es Potenzial gibt, das ARM/Intel ISA-Duopol im Consumer-Bereich aufzurütteln.

Sollten die Amtsinhaber jedoch stagnieren, ist es im Bereich des Möglichen, dass ein dunkles Pferd hereingaloppiert und alles verändert.