IntelとARMのオープンな代替手段：RISC-Vとは何ですか？

公開: 2022-01-29

オープンソースコンピューターを構築したい場合は、ソフトウェアについて話している場合は可能です。ただし、内部のプロセッサは独自仕様です。 RISC-Vはオープンソースのプロセッサ設計であり、急速に勢いを増しており、コンピューティングの展望を変えることを約束しています。

IntelおよびARM設計の代替

現在、ARMとIntelのx86によって作成された2つのプロセッサ設計が最高の地位を占めています。両社は途方もない規模で事業を行っていますが、ビジネスモデルは根本的に異なります。

Intelは独自のチップを設計および製造していますが、ARMはその設計をQualcommやSamsungなどのサードパーティの設計者にライセンス供与しており、サードパーティの設計者は独自の拡張機能を追加しています。 Samsungにはプロセッサを社内で製造するためのインフラストラクチャがありますが、Qualcomm（およびその他の「ファブレス」設計者）はこの重要な作業をサードパーティにアウトソーシングしています。

ARMの場合、これには、チップの設計の側面を非公開にするように設計された機密保持契約に署名するライセンサーが必要になることもよくあります。そのビジネスモデル全体が製造業ではなく、知的財産を中心に形成されていることを考えると、これは驚くことではありません。

一方、Intelには、独自の商用設計の秘密があります。どちらのプロセッサタイプも商用であるため、学者やオープンソースのハッカーが設計に影響を与えることは（完全に不可能ではないにしても）困難です。

RISC-Vの違い

RISC-Vは大きく異なります。まず、それは会社ではありません。これは、2010年にカリフォルニア大学バークレー校の学者によって、既存の既存企業に代わるオープンソースのロイヤリティフリーの代替手段として最初に考案されました。

これは、Windowsの代わりにLinuxをインストールするのと似ているため、何かを購入したり、面倒なライセンス契約に同意したりする必要はありません。 RISV-Vは、半導体の研究と設計についても同じことを目指しています。

ARMは、プロセッサがネイティブに理解できるコマンドを参照する命令セットアーキテクチャ（ISA）と、その実装方法を示すマイクロアーキテクチャの両方のライセンスも取得しています。

RISC-VはISAを提供するだけであり、研究者やメーカーが実際にISAをどのように使用したいかを定義できます。これにより、組み込みシステム用の低電力の16ビットチップからスーパーコンピューター用の128ビットプロセッサまで、あらゆる種類のデバイスに対応できます。

名前が示すように、RISC-Vは、ARM、MIPS、SPARC、およびPowerの設計に基づくチップと同じ、縮小命令セットコンピューター（RISC）の原則を使用します。

これは何を意味するのでしょうか？さて、コンピュータプロセッサの中心には、命令と呼ばれるものがあります。最も基本的な用語では、これらはプロセッサに何をすべきかを指示するハードウェアで表される小さなプログラムです。

RISCベースのチップは、通常、Intelが提供するような複雑な命令セットコンピューター（CISC）設計を使用するチップよりも命令が少なくなります。さらに、命令自体はハードウェアに実装するのがはるかに簡単です。

指示が簡単なため、チップメーカーはチップ設計をはるかに効率的に行うことができます。トレードオフは、これらの比較的複雑なタスクがプロセッサによって実行されないことです。代わりに、ソフトウェアによって複数の小さな命令に分割されます。

その結果、RISCは「重要なものをコンパイラに委ねる」というニックネームを獲得しました。それは悪いことのように聞こえますが、そうではありません。ただし、それを理解するには、まずコンピュータプロセッサが実際に何であるかを理解する必要があります。

携帯電話やコンピュータのプロセッサは、トランジスタと呼ばれる何十億もの小さなコンポーネントで構成されています。 CISCベースのチップの場合、これらのトランジスタの多くは、利用可能なさまざまな命令を表しています。

RISCチップの命令は少なく、単純なので、多くのトランジスタは必要ありません。これは、多くの興味深いことを行うためのより多くの余地があることを意味します。たとえば、より多くのキャッシュとメモリレジスタ、またはAIとグラフィックス処理のための追加機能を含めることができます。

全体的なトランジスタの数を減らすことで、チップを物理的に小さくすることもできます。これが、MIPSおよびARMのRISCベースのチップがモノのインターネット（IoT）デバイスで頻繁に見られる理由です。

スピードの必要性

コンピューターチップを持っているエンジニア。 — ドラゴン画像/シャッターストック

もちろん、RISC-Vの理由はライセンスだけではありません。 RISCプロセッサ設計の最初の研究プロジェクトを主導したDavidPatterson氏は、RISC-Vは、製造の改善から得られるCPUパフォーマンスの差し迫った制限に対処するように設計されていると述べました。

チップに搭載できるトランジスタの数が多いほど、プロセッサの能力は最終的に高くなります。その結果、TSMCやSamsung（どちらもサードパーティに代わってプロセッサを製造している）のようなチップメーカーは、トランジスタのサイズをさらに縮小するために懸命に取り組んでいます。

最初の商用マイクロプロセッサであるIntel4004には、それぞれ10,000ナノメートル（約0.01mm）のトランジスタが2,250個しかありませんでした。確かに小さいですが、40年後にリリースされたAppleのA14Bionicプロセッサとは対照的です。そのチップ（新しいiPad Airに電力を供給する）には118億個のトランジスタがあり、それぞれのトランジスタの幅は5ナノメートルです。

1965年、Intelの共同創設者であるGordon E. Mooreは、チップに配置できるトランジスタの数は2年ごとに2倍になると理論付けました。

「最小コンポーネントコストの複雑さは、年間約2倍の割合で増加しています」と、ムーアはエレクトロニクス誌の35周年記念号に書いています。「確かに、短期的には、この率は増加しないとしても、継続すると予想できます。長期的には、増加率はもう少し不確実ですが、少なくとも10年間はほぼ一定に保たれないと信じる理由はありません。」

ムーアの法則は、この10年間で適用されなくなると予想されます。チップメーカーがこの小型化の傾向を長期的に継続できるかどうかについてもかなりの疑問があります。これは、基本的な科学レベルと経済レベルの両方に当てはまります。

結局のところ、より小さなトランジスタは、製造が非常に複雑で高価です。たとえば、TSMCは、5nmチップを作成するために工場に170億ドル以上を費やしました。このレンガの壁を考えると、Risk-Vは、トランジスタのサイズと数を減らす以外の方法を検討することで、パフォーマンスの問題に対処することを目指しています。

企業はすでにRISC-Vを使用しています

RISC-Vプロジェクトは2010年に開始され、ISAを使用した最初のチップは2011年に製造されました。3年後、プロジェクトは公開され、すぐに商業的関心が高まりました。このテクノロジーは、NVIDIA、Alibaba、WesternDigitalなどの企業ですでに使用されています。

皮肉なことに、RISC-Vには本質的に画期的なものは何もありません。 Foundationは、そのWebページに次のように述べています。「RISC-VISAは、少なくとも40年前にさかのぼるコンピュータアーキテクチャのアイデアに基づいています。」

とはいえ、間違いなく画期的なのは、ビジネスモデル、つまりビジネスモデルの欠如です。プロジェクトを実験、開発、そして潜在的には自由な成長にさらすのはこれです。 RISC-V Foundationは、そのWebサイトにも次のように記載しています。

「これは、ソフトウェアを移植できる一般的な無料のオープンスタンダードであり、誰でも自由に独自のハードウェアを開発してソフトウェアを実行できるためです。」

この記事の執筆時点では、RISC-Vチップは、サーバーファームの舞台裏やマイクロコントローラーとして大部分が苦労しています。消費者分野でARM / IntelISAの複占を揺るがす可能性があるかどうかはまだ分からない。

ただし、現職者が停滞した場合、ダークホースが駆け込み、すべてを変える可能性があります。