Otwarta alternatywa dla Intela i ARM: Co to jest RISC-V?

Jeśli chcesz zbudować komputer typu open source, możesz — jeśli mówisz o oprogramowaniu. Procesor pod maską jest jednak zastrzeżony. RISC-V to konstrukcja procesora typu open source, która szybko zyskuje na popularności i obiecuje zmienić krajobraz obliczeniowy.

Alternatywa dla projektów Intel i ARM

Obecnie królują dwa projekty procesorów: te stworzone przez ARM i x86 Intela. Chociaż obie firmy działają na ogromną skalę, ich modele biznesowe są zasadniczo różne.

Intel projektuje i produkuje własne chipy, podczas gdy ARM udziela licencji na swoje projekty zewnętrznym projektantom, takim jak Qualcomm i Samsung, którzy następnie dodają własne ulepszenia. Podczas gdy Samsung ma infrastrukturę do samodzielnego wytwarzania swoich procesorów, Qualcomm (i inni projektanci „bez bajek”) zlecają tę ważną pracę stronom trzecim.

W przypadku ARM często wymaga to również od licencjodawców podpisania umów o zachowaniu poufności, których celem jest zachowanie poufności niektórych aspektów projektu chipa. Trudno się temu dziwić, biorąc pod uwagę, że cały model biznesowy nie opiera się na produkcji, ale raczej na własności intelektualnej.

Tymczasem Intel ma pod kluczem swoje własne tajemnice projektów komercyjnych. Ponieważ oba typy procesorów są komercyjne, naukowcom i hakerom open-source trudno jest (jeśli nie całkowicie niemożliwe) wpłynąć na projekt.

Czym różni się RISC-V

RISC-V jest szalenie inny. Po pierwsze, to nie jest firma. Po raz pierwszy został wymyślony w 2010 roku przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley jako otwarta, bezpłatna alternatywa dla istniejących operatorów.

Jest to podobne do instalowania Linuksa zamiast Windowsa, więc nie musisz niczego kupować ani zgadzać się na żadne uciążliwe umowy licencyjne. RISV-V ma zrobić to samo w przypadku badań i projektowania półprzewodników.

ARM licencjonuje również zarówno architekturę zestawu instrukcji (ISA), która odnosi się do poleceń, które mogą natywnie zrozumieć procesor, jak i mikroarchitekturę, która pokazuje, jak można ją zaimplementować.

RISC-V oferuje jedynie ISA, pozwalając naukowcom i producentom zdefiniować, w jaki sposób faktycznie chcą z niego korzystać. Dzięki temu jest skalowalny dla wszystkich urządzeń, od 16-bitowych chipów o niskim poborze mocy dla systemów wbudowanych, po 128-bitowe procesory dla superkomputerów.

Jak sama nazwa wskazuje, RISC-V wykorzystuje zasady komputera ze zredukowanym zestawem instrukcji (RISC), takie same jak układy oparte na konstrukcjach ARM, MIPS, SPARC i Power.

Co to znaczy? Cóż, sercem każdego procesora komputerowego są tak zwane instrukcje. W najbardziej podstawowych terminach są to małe programy reprezentowane w sprzęcie, które informują procesor, co ma robić.

Układy oparte na architekturze RISC zazwyczaj zawierają mniej instrukcji niż układy wykorzystujące konstrukcję komputera z złożonym zestawem instrukcji (CISC), takie jak te oferowane przez firmę Intel. Ponadto same instrukcje są znacznie prostsze do zaimplementowania w sprzęcie.

Prostsze instrukcje oznaczają, że producenci chipów mogą być znacznie bardziej wydajni dzięki swoim projektom chipów. Kompromis polega na tym, że te stosunkowo złożone zadania nie są wykonywane przez procesor. Zamiast tego są one podzielone przez oprogramowanie na wiele mniejszych instrukcji.

W rezultacie RISC zyskał przydomek Relegate the Important Stuff to the Compiler. Choć brzmi to jak zła rzecz, tak nie jest. Aby to zrozumieć, musisz najpierw zrozumieć, czym właściwie jest procesor komputera.

Procesor w telefonie lub komputerze składa się z miliardów maleńkich elementów zwanych tranzystorami. W przypadku chipów opartych na CISC, wiele z tych tranzystorów reprezentuje różne dostępne instrukcje.

Ponieważ chipy RISC mają mniej, prostszych instrukcji, nie potrzebujesz wielu tranzystorów. Oznacza to, że masz więcej miejsca na wiele interesujących rzeczy. Na przykład możesz dołączyć więcej rejestrów pamięci podręcznej i pamięci lub dodatkową funkcjonalność dla sztucznej inteligencji i przetwarzania grafiki.

Możesz także fizycznie zmniejszyć chip, używając mniejszej liczby tranzystorów. Właśnie dlatego chipy oparte na architekturze RISC firmy MIPS i ARM są często spotykane w urządzeniach Internetu rzeczy (IoT).

Potrzeba szybkości

Oczywiście licencjonowanie nie jest jedynym uzasadnieniem dla RISC-V. David Patterson, który kierował pierwszymi projektami badawczymi w zakresie projektowania procesorów RISC, powiedział, że RISC-V został zaprojektowany z myślą o zbliżających się ograniczeniach wydajności procesora, które można uzyskać dzięki ulepszeniom produkcyjnym.

Im więcej tranzystorów zmieści się w chipie, tym bardziej wydajny staje się procesor. W rezultacie producenci chipów, tacy jak TSMC i Samsung (które produkują procesory w imieniu stron trzecich) ciężko pracują, aby jeszcze bardziej zmniejszyć rozmiar tranzystorów.

Pierwszy komercyjny mikroprocesor, Intel 4004, miał zaledwie 2250 tranzystorów, z których każdy mierzył 10 000 nanometrów (około 0,01 mm). Oczywiście mały, ale kontrast z procesorem Apple A14 Bionic, wydanym 40 lat później. Ten chip (który zasila nowy iPad Air) ma 11,8 miliarda tranzystorów, z których każdy ma średnicę 5 nanometrów.

W 1965 roku Gordon E. Moore, współzałożyciel firmy Intel, wysunął teorię, że liczba tranzystorów, które można umieścić na chipie, podwaja się co dwa lata.

„Złożoność w zakresie minimalnych kosztów komponentów wzrosła w tempie mniej więcej dwa razy w roku”, napisał Moore w wydaniu magazynu Electronics z okazji 35-lecia. „Oczywiście, w krótkim okresie można oczekiwać, że wskaźnik ten utrzyma się, jeśli nie wzrośnie. W dłuższej perspektywie tempo wzrostu jest nieco bardziej niepewne, chociaż nie ma powodu, aby sądzić, że nie utrzyma się na prawie stałym poziomie przez co najmniej 10 lat”.

Oczekuje się, że prawo Moore'a przestanie obowiązywać w tej dekadzie. Istnieje również spora wątpliwość, czy producenci chipów mogą kontynuować ten trend w kierunku miniaturyzacji w dłuższej perspektywie. Dotyczy to zarówno podstawowego poziomu naukowego, jak i ekonomicznego.

Mniejsze tranzystory są przecież znacznie bardziej skomplikowane i droższe w produkcji. Na przykład TSMC wydał ponad 17 miliardów dolarów na swoją fabrykę na stworzenie chipów 5 nm. Biorąc pod uwagę tę ceglaną ścianę, Risk-V ma na celu rozwiązanie problemu wydajności, szukając sposobów poza zmniejszeniem rozmiaru i liczby tranzystorów.

Firmy już używają RISC-V

Projekt RISC-V rozpoczął się w 2010 roku, a pierwszy układ wykorzystujący ISA został wyprodukowany w 2011 roku. Trzy lata później projekt został upubliczniony, a wkrótce pojawiło się zainteresowanie komercyjne. Technologia ta jest już wykorzystywana przez firmy takie jak NVIDIA, Alibaba i Western Digital.

Ironia polega na tym, że w RISC-V nie ma nic przełomowego. Fundacja zauważa na swojej stronie internetowej: „RISC-V ISA opiera się na pomysłach na architekturę komputerową sprzed co najmniej 40 lat”.

To, co prawdopodobnie jest przełomowe, to model biznesowy – lub jego brak. To właśnie naraża projekt na eksperymenty, rozwój i potencjalnie nieskrępowany rozwój. Jak zauważa również Fundacja RISC-V na swojej stronie internetowej:

„Zainteresowanie polega na tym, że jest to powszechny wolny i otwarty standard, do którego można przenieść oprogramowanie i który pozwala każdemu swobodnie rozwijać własny sprzęt do uruchamiania oprogramowania”.

W chwili pisania tego artykułu chipy RISC-V pracują w dużej mierze za kulisami w farmach serwerów i jako mikrokontrolery. Okaże się, czy istnieje jakikolwiek potencjał, aby wstrząsnąć duopolem ARM/Intel ISA w przestrzeni konsumenckiej.

Jednakże, jeśli zasiedziały ulegnie stagnacji, jest możliwe, że czarny koń może galopować i wszystko zmienić.