Un'alternativa aperta a Intel e ARM: cos'è RISC-V?

Se vuoi costruire un computer open source, puoi farlo, se stai parlando di software. Il processore sotto il cofano, tuttavia, è proprietario. RISC-V è un design di processore open source che sta rapidamente guadagnando terreno e promette di cambiare il panorama informatico.

Un'alternativa ai progetti Intel e ARM

Attualmente, due design di processori regnano sovrani: quelli creati da ARM e Intel x86. Sebbene entrambe le società operino su vasta scala, i loro modelli di business sono fondamentalmente diversi.

Intel progetta e produce i propri chip, mentre ARM concede in licenza i propri progetti a designer di terze parti, come Qualcomm e Samsung, che poi aggiungono i propri miglioramenti. Mentre Samsung ha l'infrastruttura per fabbricare internamente i suoi processori, Qualcomm (e altri designer "fabless") esternalizza questo importante lavoro a terze parti.

Nel caso di ARM, ciò spesso richiede anche ai licenziatari di firmare accordi di non divulgazione progettati per mantenere privati ​​gli aspetti del design di un chip. Non sorprende, considerando che l'intero modello di business non è modellato sulla produzione, ma piuttosto sulla proprietà intellettuale.

Nel frattempo, Intel ha i suoi segreti di progettazione commerciale sotto chiave. Poiché entrambi i tipi di processore sono commerciali, è difficile (se non del tutto impossibile) per accademici e hacker open source influenzare il design.

Come RISC-V è diverso

RISC-V è molto diverso. Primo, non è un'azienda. È stato concepito per la prima volta nel 2010 da accademici dell'Università della California a Berkeley come un'alternativa open source esente da royalty agli operatori storici esistenti.

È simile all'installazione di Linux invece di Windows, quindi non devi acquistare nulla o accettare accordi di licenza onerosi. RISV-V mira a fare lo stesso per la ricerca e la progettazione di semiconduttori.

ARM concede anche in licenza sia l'architettura del set di istruzioni (ISA), che si riferisce ai comandi che possono essere compresi in modo nativo da un processore, sia la microarchitettura, che mostra come può essere implementata.

RISC-V offre semplicemente l'ISA, consentendo a ricercatori e produttori di definire come vogliono effettivamente utilizzarlo. Ciò lo rende scalabile per dispositivi di ogni tipo, dai chip a 16 bit a bassa potenza per i sistemi embedded, ai processori a 128 bit per i supercomputer.

Come suggerisce il nome, RISC-V utilizza i principi del computer con set di istruzioni ridotto (RISC), gli stessi dei chip basati sui progetti ARM, MIPS, SPARC e Power.

Cosa significa questo? Bene, nel cuore di qualsiasi processore per computer, ci sono cose chiamate istruzioni. In parole povere, si tratta di piccoli programmi rappresentati nell'hardware che dicono al processore cosa fare.

I chip basati su RISC in genere hanno meno istruzioni rispetto ai chip che utilizzano un design CISC (Compless Instruction Set Computer), come quelli offerti da Intel. Inoltre, le istruzioni stesse sono molto più semplici da implementare nell'hardware.

Istruzioni più semplici significano che i produttori di chip possono essere molto più efficienti con i loro progetti di chip. Il compromesso è che queste attività relativamente complesse non vengono eseguite dal processore. Invece, sono suddivisi in più istruzioni più piccole dal software.

Di conseguenza, RISC si è guadagnato il soprannome di Relegare le cose importanti al compilatore. Anche se suona come una cosa negativa, non lo è. Per capirlo, però, devi prima capire cos'è effettivamente un processore per computer.

Il processore del telefono o del computer è costituito da miliardi di minuscoli componenti chiamati transistor. Nel caso dei chip basati su CISC, molti di questi transistor rappresentano le varie istruzioni disponibili.

Poiché i chip RISC hanno meno istruzioni più semplici, non sono necessari molti transistor. Ciò significa che hai più spazio per fare molte cose interessanti. Ad esempio, potresti includere più cache e registri di memoria o funzionalità extra per l'IA e l'elaborazione grafica.

Puoi anche ridurre fisicamente il chip utilizzando meno transistor complessivi. Questo è il motivo per cui i chip basati su RISC di MIPS e ARM si trovano spesso nei dispositivi Internet of Things (IoT).

Il bisogno di velocità

Naturalmente, la licenza non è l'unica motivazione per RISC-V. David Patterson, che ha guidato i primi progetti di ricerca nella progettazione di processori RISC, ha affermato che RISC-V è stato progettato per affrontare i limiti imminenti alle prestazioni della CPU che possono essere ottenuti dai miglioramenti della produzione.

Più transistor puoi inserire in un chip, più capace diventa un processore. Di conseguenza, i produttori di chip come TSMC e Samsung (che entrambi producono processori per conto di terzi) stanno lavorando duramente per ridurre ulteriormente le dimensioni dei transistor.

Il primo microprocessore commerciale, l'Intel 4004, aveva solo 2.250 transistor, ciascuno di 10.000 nanometri (circa 0,01 mm). Piccolo, certo, ma in contrasto con il processore A14 Bionic di Apple, rilasciato 40 anni dopo. Quel chip (che alimenta il nuovo iPad Air) ha 11,8 miliardi di transistor, ciascuno dei quali misura 5 nanometri di diametro.

Nel 1965, Gordon E. Moore, cofondatore di Intel, teorizzò che il numero di transistor che potevano essere posizionati su un chip sarebbe raddoppiato ogni due anni.

"La complessità per i costi minimi dei componenti è aumentata a un ritmo di circa un fattore due all'anno", ha scritto Moore nel numero del 35° anniversario della rivista Electronics . “Certamente, nel breve termine, è prevedibile che questo tasso continui, se non che aumenti. A lungo termine, il tasso di aumento è un po' più incerto, anche se non c'è motivo di credere che non rimarrà quasi costante per almeno 10 anni".

La legge di Moore dovrebbe cessare di applicarsi in questo decennio. Vi sono anche notevoli dubbi sul fatto che i produttori di chip possano continuare questa tendenza verso la miniaturizzazione a lungo termine. Ciò vale sia a livello scientifico di base che a livello economico.

Dopotutto, i transistor più piccoli sono molto più complicati e costosi da produrre. TSMC, ad esempio, ha speso oltre 17 miliardi di dollari nella sua fabbrica per la creazione di chip da 5 nm. Dato questo muro di mattoni, Risk-V mira ad affrontare il problema delle prestazioni cercando modi oltre a ridurre le dimensioni e il numero di transistor.

Le aziende stanno già utilizzando RISC-V

Il progetto RISC-V è iniziato nel 2010 e il primo chip che utilizzava l'ISA è stato prodotto nel 2011. Tre anni dopo, il progetto è diventato pubblico e presto è seguito l'interesse commerciale. La tecnologia è già utilizzata da aziende come NVIDIA, Alibaba e Western Digital.

L'ironia è che non c'è nulla di intrinsecamente rivoluzionario in RISC-V. La Fondazione nota sulla sua pagina web: "Il RISC-V ISA si basa su idee di architettura del computer che risalgono ad almeno 40 anni fa".

Ciò che, probabilmente, è rivoluzionario, tuttavia, è il modello di business, o la mancanza di uno. È questo che espone il progetto alla sperimentazione, allo sviluppo e, potenzialmente, alla crescita illimitata. Come rileva anche la Fondazione RISC-V sul proprio sito web:

"L'interesse è perché è uno standard comune libero e aperto su cui è possibile trasferire il software e che consente a chiunque di sviluppare liberamente il proprio hardware per eseguire il software".

In questo momento, i chip RISC-V lavorano in gran parte dietro le quinte nelle server farm e come microcontrollori. Resta da vedere se c'è qualche potenziale per scuotere il duopolio ARM/Intel ISA nello spazio dei consumatori.

Tuttavia, se gli operatori storici dovessero ristagnare, è nel regno delle possibilità che un cavallo oscuro possa galoppare e cambiare tutto.