Uma alternativa aberta para Intel e ARM: O que é RISC-V?

Se você quiser construir um computador de código aberto, você pode – se estiver falando de software. O processador sob o capô, no entanto, é proprietário. O RISC-V é um design de processador de código aberto que está ganhando força rapidamente e promete mudar o cenário da computação.

Uma alternativa aos designs Intel e ARM

Atualmente, dois designs de processador reinam supremos: os criados pela ARM e o x86 da Intel. Embora ambas as empresas operem em grande escala, seus modelos de negócios são fundamentalmente diferentes.

A Intel projeta e fabrica seus próprios chips, enquanto a ARM licencia seus projetos para designers de terceiros, como Qualcomm e Samsung, que adicionam seus próprios aprimoramentos. Enquanto a Samsung tem a infraestrutura para fabricar seus processadores internamente, a Qualcomm (e outros designers “sem fábulas”) terceiriza esse importante trabalho para terceiros.

No caso do ARM, isso também exige que os licenciadores assinem acordos de confidencialidade projetados para manter em sigilo aspectos do design de um chip. Isso não é surpreendente, considerando que todo o seu modelo de negócios não é moldado em torno da fabricação, mas sim da propriedade intelectual.

Enquanto isso, a Intel tem seus próprios segredos de design comercial a sete chaves. Como ambos os tipos de processador são comerciais, é difícil (se não totalmente impossível) para acadêmicos e hackers de código aberto influenciar o design.

Como o RISC-V é diferente

RISC-V é muito diferente. Primeiro, não é uma empresa. Foi concebido pela primeira vez em 2010 por acadêmicos da Universidade da Califórnia em Berkeley como uma alternativa de código aberto e isenta de royalties para os operadores existentes.

É semelhante à instalação do Linux em vez do Windows, para que você não precise comprar nada ou concordar com nenhum contrato de licenciamento oneroso. O RISV-V visa fazer o mesmo para pesquisa e projeto de semicondutores.

O ARM também licencia tanto a arquitetura do conjunto de instruções (ISA), que se refere aos comandos que podem ser entendidos nativamente por um processador, quanto a microarquitetura, que mostra como ela pode ser implementada.

O RISC-V oferece apenas o ISA, permitindo que pesquisadores e fabricantes definam como realmente querem usá-lo. Isso o torna escalável para dispositivos de todos os tipos, desde chips de 16 bits de baixa potência para sistemas embarcados até processadores de 128 bits para supercomputadores.

Como o nome sugere, o RISC-V usa os princípios do computador de conjunto de instruções reduzido (RISC), o mesmo que os chips baseados em projetos ARM, MIPS, SPARC e Power.

O que isto significa? Bem, no coração de qualquer processador de computador, existem coisas chamadas instruções. Em termos mais básicos, são pequenos programas representados em hardware que dizem ao processador o que fazer.

Os chips baseados em RISC normalmente têm menos instruções do que os chips que usam um projeto de computador de conjunto de instruções complexo (CISC), como os oferecidos pela Intel. Além disso, as próprias instruções são muito mais simples de implementar no hardware.

Instruções mais simples significam que os fabricantes de chips podem ser muito mais eficientes com seus designs de chip. A desvantagem é que essas tarefas relativamente complexas não são executadas pelo processador. Em vez disso, eles são divididos em várias instruções menores por software.

Como resultado, o RISC ganhou o apelido Relegate the Important Stuff to the Compiler. Embora isso pareça uma coisa ruim, não é. Para entendê-lo, porém, primeiro você precisa entender o que é um processador de computador.

O processador do seu telefone ou computador consiste em bilhões de pequenos componentes chamados transistores. No caso de chips baseados em CISC, muitos desses transistores representam as várias instruções disponíveis.

Como os chips RISC têm menos instruções mais simples, você não precisa de muitos transistores. Isso significa que você tem mais espaço para fazer muitas coisas interessantes. Por exemplo, você pode incluir mais registros de cache e memória ou funcionalidade extra para processamento gráfico e de IA.

Você também pode tornar o chip fisicamente menor usando menos transistores gerais. É por isso que os chips baseados em RISC de MIPS e ARM são frequentemente encontrados em dispositivos de Internet das Coisas (IoT).

A necessidade de velocidade

É claro que o licenciamento não é a única justificativa para o RISC-V. David Patterson, que liderou os primeiros projetos de pesquisa em design de processador RISC, disse que o RISC-V foi projetado para lidar com os limites iminentes no desempenho da CPU que podem ser obtidos com melhorias na fabricação.

Quanto mais transistores você puder colocar em um chip, mais capaz um processador se tornará. Como resultado, fabricantes de chips como TSMC e Samsung (que fabricam processadores em nome de terceiros) estão trabalhando duro para diminuir ainda mais o tamanho dos transistores.

O primeiro microprocessador comercial, o Intel 4004, tinha apenas 2.250 transistores, cada um medindo 10.000 nanômetros (cerca de 0,01 mm). Pequeno, certamente, mas contrasta com o processador A14 Bionic da Apple, lançado 40 anos depois. Esse chip (que alimenta o novo iPad Air) tem 11,8 bilhões de transistores, cada um medindo 5 nanômetros de diâmetro.

Em 1965, Gordon E. Moore, cofundador da Intel, teorizou que o número de transistores que poderiam ser colocados em um chip dobraria a cada dois anos.

“A complexidade dos custos mínimos dos componentes aumentou a uma taxa de aproximadamente um fator de dois por ano”, escreveu Moore na edição do 35º aniversário da revista Electronics . “Certamente, no curto prazo, essa taxa pode continuar, se não aumentar. A longo prazo, a taxa de aumento é um pouco mais incerta, embora não haja razão para acreditar que não permanecerá quase constante por pelo menos 10 anos”.

Espera-se que a Lei de Moore deixe de ser aplicada nesta década. Também há dúvidas consideráveis ​​sobre se os fabricantes de chips podem continuar essa tendência de miniaturização a longo prazo. Isso se aplica tanto ao nível científico básico quanto ao econômico.

Afinal, transistores menores são muito mais complicados e caros de fabricar. A TSMC, por exemplo, gastou mais de US$ 17 bilhões em sua fábrica para criar chips de 5 nm. Dada essa parede de tijolos, o Risk-V visa resolver o problema de desempenho procurando maneiras além de diminuir o tamanho e o número de transistores.

As empresas já estão usando o RISC-V

O projeto RISC-V começou em 2010, e o primeiro chip usando o ISA foi fabricado em 2011. Três anos depois, o projeto se tornou público e o interesse comercial logo se seguiu. A tecnologia já está sendo usada por empresas como NVIDIA, Alibaba e Western Digital.

A ironia é que não há nada inerentemente inovador no RISC-V. A Fundação observa em sua página na web: “O RISC-V ISA é baseado em ideias de arquitetura de computador que datam de pelo menos 40 anos”.

O que, sem dúvida, é inovador, no entanto, é o modelo de negócios – ou a falta de um. É isso que expõe o projeto à experimentação, desenvolvimento e, potencialmente, crescimento irrestrito. Como a Fundação RISC-V também observa em seu site:

“O interesse é porque é um padrão comum livre e aberto para o qual o software pode ser portado e que permite que qualquer pessoa desenvolva livremente seu próprio hardware para executar o software.”

No momento da redação deste artigo, os chips RISC-V trabalham amplamente nos bastidores em farms de servidores e como microcontroladores. Resta saber se há algum potencial para abalar o duopólio ARM/Intel ISA no espaço do consumidor.

No entanto, se os titulares estagnarem, é possível que um cavalo negro possa galopar e mudar tudo.