O alternativă deschisă la Intel și ARM: Ce este RISC-V?

Dacă doriți să construiți un computer open-source, puteți, dacă vorbiți despre software. Cu toate acestea, procesorul de sub capotă este proprietar. RISC-V este un design de procesor open-source care câștigă rapid acțiune și promite să schimbe peisajul informatic.

O alternativă la modelele Intel și ARM

În prezent, două modele de procesoare domnesc supreme: cele create de ARM și x86 de la Intel. În timp ce ambele companii operează la o scară extraordinară, modelele lor de afaceri sunt fundamental diferite.

Intel își proiectează și își produce propriile cipuri, în timp ce ARM își acordă licențe proiectelor unor designeri terți, cum ar fi Qualcomm și Samsung, care apoi adaugă propriile îmbunătățiri. În timp ce Samsung are infrastructura necesară pentru a-și fabrica procesoarele interne, Qualcomm (și alți designeri „făblesă”) externalizează această activitate importantă către terți.

În cazul ARM, acest lucru necesită, de asemenea, deseori licențiatorii să semneze acorduri de nedezvăluire menite să păstreze private aspectele designului unui cip. Acest lucru nu este deloc surprinzător, având în vedere că întregul său model de afaceri nu este modelat în jurul producției, ci mai degrabă a proprietății intelectuale.

Între timp, Intel are propriile sale secrete de design comercial sub cheie. Deoarece ambele tipuri de procesoare sunt comerciale, este greu (dacă nu complet imposibil) pentru academicieni și hackerii open-source să influențeze designul.

Cum este RISC-V diferit

RISC-V este extrem de diferit. În primul rând, nu este o companie. A fost conceput pentru prima dată în 2010 de către cadre universitare de la Universitatea din California din Berkeley, ca o alternativă open-source, fără drepturi de autor, la titularii existenți.

Este asemănător cu instalarea Linux în loc de Windows, astfel încât nu trebuie să cumpărați nimic sau să fiți de acord cu niciun acord de licență oneros. RISV-V își propune să facă același lucru pentru cercetarea și proiectarea semiconductorilor.

De asemenea, ARM acordă licențe atât arhitectura setului de instrucțiuni (ISA), care se referă la comenzile care pot fi înțelese în mod nativ de un procesor, cât și microarhitectura, care arată cum poate fi implementată.

RISC-V oferă doar ISA, permițând cercetătorilor și producătorilor să definească modul în care doresc să-l folosească. Acest lucru îl face scalabil pentru dispozitive de toate tipurile, de la cipuri cu putere redusă, de 16 biți pentru sistemele încorporate, până la procesoare pe 128 de biți pentru supercomputere.

După cum sugerează și numele, RISC-V utilizează principiile computerului cu set de instrucțiuni reduse (RISC), la fel ca cipurile bazate pe proiecte ARM, MIPS, SPARC și Power.

Ce inseamna asta? Ei bine, în centrul oricărui procesor de computer, există lucruri numite instrucțiuni. În cei mai simpli termeni, acestea sunt mici programe reprezentate în hardware care îi spun procesorului ce să facă.

Cipurile bazate pe RISC au în mod obișnuit mai puține instrucțiuni decât cipurile care utilizează un design complex de set de instrucțiuni (CISC), precum cele oferite de Intel. În plus, instrucțiunile în sine sunt mult mai simplu de implementat în hardware.

Instrucțiuni mai simple înseamnă că producătorii de cipuri pot fi mult mai eficienți cu designul lor de cipuri. Compensația este că aceste sarcini relativ complexe nu sunt efectuate de procesor. În schimb, acestea sunt împărțite în mai multe instrucțiuni mai mici de software.

Drept urmare, RISC a câștigat porecla Relegate the Important Stuff la compilator. Deși pare un lucru rău, nu este. Pentru a înțelege, totuși, mai întâi trebuie să înțelegeți ce este de fapt un procesor de computer.

Procesorul telefonului sau al computerului dvs. este format din miliarde de componente minuscule numite tranzistori. În cazul cipurilor bazate pe CISC, multe dintre aceste tranzistoare reprezintă diferitele instrucțiuni disponibile.

Deoarece cipurile RISC au mai puține instrucțiuni, mai simple, nu aveți nevoie de mulți tranzistori. Aceasta înseamnă că aveți mai mult spațiu pentru a face o mulțime de lucruri interesante. De exemplu, puteți include mai multe registre cache și memorie sau funcționalități suplimentare pentru procesarea AI și grafică.

De asemenea, puteți face cipul mai mic din punct de vedere fizic, folosind mai puține tranzistoare generale. Acesta este motivul pentru care cipurile bazate pe RISC de la MIPS și ARM se găsesc frecvent în dispozitivele Internet of Things (IoT).

Nevoia de viteză

Desigur, acordarea de licențe nu este singura rațiune pentru RISC-V. David Patterson, care a condus primele proiecte de cercetare în proiectarea procesoarelor RISC, a declarat că RISC-V a fost conceput pentru a aborda limitele iminente ale performanței procesorului care pot fi obținute din îmbunătățirile de producție.

Cu cât poti pune mai multe tranzistoare pe un cip, cu atât un procesor devine în cele din urmă mai capabil. Drept urmare, producătorii de cipuri precum TSMC și Samsung (care produc ambele procesoare în numele unor terți) lucrează din greu pentru a micșora și mai mult dimensiunea tranzistoarelor.

Primul microprocesor comercial, Intel 4004, avea doar 2.250 de tranzistori, fiecare măsurând 10.000 de nanometri (aproximativ 0,01 mm). Mic, cu siguranță, dar contrastează cu procesorul Apple A14 Bionic, lansat 40 de ani mai târziu. Acest cip (care alimentează noul iPad Air) are 11,8 miliarde de tranzistori, fiecare măsurând 5 nanometri.

În 1965, Gordon E. Moore, cofondatorul Intel, a teoretizat că numărul de tranzistori care ar putea fi plasați pe un cip s-ar dubla la fiecare doi ani.

„Complexitatea pentru costurile minime ale componentelor a crescut cu o rată de aproximativ doi factori pe an”, a scris Moore în numărul de aniversare a 35-a a revistei Electronics . „Cu siguranță, pe termen scurt, se poate aștepta ca această rată să continue, dacă nu să crească. Pe termen lung, rata de creștere este puțin mai incertă, deși nu există niciun motiv să credem că nu va rămâne aproape constantă timp de cel puțin 10 ani.”

Legea lui Moore este de așteptat să înceteze să se aplice în acest deceniu. Există, de asemenea, îndoieli considerabile cu privire la faptul că producătorii de cipuri pot continua această tendință spre miniaturizare pe termen lung. Acest lucru se aplică atât la nivel științific de bază, cât și la cel economic.

Tranzistoarele mai mici sunt, la urma urmei, mult mai complicate și mai scumpe de fabricat. TSMC, de exemplu, a cheltuit peste 17 miliarde de dolari pe fabrica sa pentru crearea de cipuri de 5 nm. Având în vedere acest zid de cărămidă, Risk-V își propune să abordeze problema performanței, analizând modalități pe lângă micșorarea dimensiunii și numărului de tranzistori.

Companiile folosesc deja RISC-V

Proiectul RISC-V a început în 2010, iar primul cip care folosește ISA a fost fabricat în 2011. Trei ani mai târziu, proiectul a devenit public și în curând a urmat interesul comercial. Tehnologia este deja folosită de companii precum NVIDIA, Alibaba și Western Digital.

Ironia este că nu există nimic inerent revoluționar la RISC-V. Fundația notează pe pagina sa web: „RISC-V ISA se bazează pe idei de arhitectură de computer care datează de cel puțin 40 de ani.”

Ceea ce, fără îndoială, este inovator, este modelul de afaceri – sau lipsa unuia. Acesta este ceea ce expune proiectul la experimentare, dezvoltare și, potențial, creștere nelimitată. După cum observă și Fundația RISC-V pe site-ul său:

„Interesul este că este un standard comun, gratuit și deschis, la care software-ul poate fi portat și care permite oricui să-și dezvolte liber propriul hardware pentru a rula software-ul.”

La această scriere, cipurile RISC-V se chinuie în mare parte în spatele scenei în fermele de servere și ca microcontrolere. Rămâne de văzut dacă există vreun potențial de a zgudui duopolul ARM/Intel ISA în spațiul consumatorilor.

Cu toate acestea, în cazul în care aceștia stagnează, este în sfera posibilității ca un cal întunecat să poată galopă și să schimbe totul.