Открытая альтернатива Intel и ARM: что такое RISC-V?

Если вы хотите создать компьютер с открытым исходным кодом, вы можете — если вы говорите о программном обеспечении. Однако процессор под капотом фирменный. RISC-V — это процессор с открытым исходным кодом, который быстро набирает обороты и обещает изменить вычислительную среду.

Альтернатива Intel и ARM Designs

В настоящее время господствуют две конструкции процессоров: созданные ARM и Intel x86. Хотя обе компании работают в огромных масштабах, их бизнес-модели принципиально различаются.

Intel разрабатывает и производит свои собственные чипы, в то время как ARM лицензирует свои разработки сторонним разработчикам, таким как Qualcomm и Samsung, которые затем добавляют свои собственные усовершенствования. В то время как у Samsung есть инфраструктура для производства своих процессоров собственными силами, Qualcomm (и другие разработчики «без фабрик») передают эту важную работу на аутсорсинг третьим сторонам.

В случае с ARM это также часто требует от лицензиаров подписания соглашений о неразглашении, предназначенных для сохранения конфиденциальности аспектов конструкции чипа. Это неудивительно, учитывая, что вся ее бизнес-модель построена не на производстве, а на интеллектуальной собственности.

Между тем, у Intel есть свои секреты коммерческого дизайна под замком. Поскольку оба типа процессоров являются коммерческими, ученым и хакерам с открытым исходным кодом трудно (если вообще возможно) повлиять на их конструкцию.

Чем отличается RISC-V

RISC-V сильно отличается. Во-первых, это не компания. Впервые он был задуман в 2010 году учеными Калифорнийского университета в Беркли как бесплатная альтернатива существующим решениям с открытым исходным кодом.

Это похоже на установку Linux вместо Windows, поэтому вам не нужно ничего покупать или соглашаться на какие-либо обременительные лицензионные соглашения. RISV-V стремится сделать то же самое для исследований и проектирования полупроводников.

ARM также лицензирует как архитектуру набора инструкций (ISA), которая относится к командам, которые изначально могут быть поняты процессором, так и микроархитектуру, которая показывает, как ее можно реализовать.

RISC-V просто предлагает ISA, позволяя исследователям и производителям определить, как они на самом деле хотят его использовать. Это делает его масштабируемым для устройств всех мастей, от маломощных 16-разрядных чипов для встраиваемых систем до 128-разрядных процессоров для суперкомпьютеров.

Как следует из названия, RISC-V использует принципы компьютера с сокращенным набором команд (RISC), такие же, как и чипы, основанные на конструкциях ARM, MIPS, SPARC и Power.

Что это значит? Ну, в основе любого компьютерного процессора есть вещи, называемые инструкциями. Проще говоря, это небольшие программы, представленные в аппаратном обеспечении, которые сообщают процессору, что делать.

Чипы на основе RISC обычно имеют меньше инструкций, чем чипы, использующие конструкцию компьютера со сложным набором команд (CISC), например, предлагаемые Intel. Кроме того, сами инструкции намного проще реализовать на аппаратном уровне.

Более простые инструкции означают, что производители микросхем могут гораздо эффективнее разрабатывать свои микросхемы. Компромисс заключается в том, что эти относительно сложные задачи не выполняются процессором. Вместо этого они разбиты программным обеспечением на несколько более мелких инструкций.

В результате RISC получил прозвище «Передавайте важные вещи компилятору». Хотя это звучит как что-то плохое, это не так. Однако, чтобы понять это, вы должны сначала понять, что такое компьютерный процессор.

Процессор вашего телефона или компьютера состоит из миллиардов крошечных компонентов, называемых транзисторами. В случае чипов на основе CISC многие из этих транзисторов представляют собой различные доступные инструкции.

Поскольку чипы RISC имеют меньшее количество более простых инструкций, вам не нужно много транзисторов. Это означает, что у вас есть больше возможностей для многих интересных вещей. Например, вы можете включить больше регистров кеша и памяти или дополнительные функции для искусственного интеллекта и обработки графики.

Вы также можете сделать микросхему физически меньше, используя меньшее количество транзисторов. Вот почему чипы на основе RISC от MIPS и ARM часто встречаются в устройствах Интернета вещей (IoT).

Жажда скорости

Конечно, лицензирование — не единственная причина для RISC-V. Дэвид Паттерсон, руководивший первыми исследовательскими проектами по проектированию процессоров RISC, сказал, что RISC-V был разработан для преодоления надвигающихся ограничений производительности ЦП, которые могут быть достигнуты за счет производственных усовершенствований.

Чем больше транзисторов вы можете разместить на чипе, тем более мощным в конечном итоге становится процессор. В результате производители чипов, такие как TSMC и Samsung (которые производят процессоры от имени третьих лиц), прилагают все усилия, чтобы еще больше уменьшить размер транзисторов.

Первый коммерческий микропроцессор Intel 4004 имел всего 2250 транзисторов, размер каждого из которых составлял 10 000 нанометров (около 0,01 мм). Небольшой, конечно, но сравните его с процессором Apple A14 Bionic, выпущенным 40 лет спустя. Этот чип (который используется в новом iPad Air) имеет 11,8 миллиарда транзисторов, каждый из которых имеет размер 5 нанометров в поперечнике.

В 1965 году Гордон Э. Мур, один из основателей Intel, предположил, что количество транзисторов, которые можно разместить на чипе, будет удваиваться каждые два года.

«Сложность при минимальных затратах на компоненты увеличивается примерно в два раза в год», — написал Мур в юбилейном 35-м выпуске журнала Electronics . «Конечно, в краткосрочной перспективе можно ожидать, что этот показатель сохранится, если не увеличится. В более долгосрочной перспективе скорость роста немного более неопределенна, хотя нет оснований полагать, что она не останется почти постоянной в течение как минимум 10 лет».

Ожидается, что закон Мура перестанет применяться в этом десятилетии. Также есть серьезные сомнения относительно того, смогут ли производители чипов продолжать эту тенденцию к миниатюризации в долгосрочной перспективе. Это касается как фундаментального научного уровня, так и экономического.

В конце концов, транзисторы меньшего размера намного сложнее и дороже в производстве. TSMC, например, потратила более 17 миллиардов долларов на свой завод по созданию 5-нм чипов. Учитывая эту кирпичную стену, Risk-V стремится решить проблему производительности, ища способы помимо уменьшения размера и количества транзисторов.

Компании уже используют RISC-V

Проект RISC-V стартовал в 2010 году, а первый чип, использующий ISA, был изготовлен в 2011 году. Три года спустя проект стал достоянием общественности, и вскоре последовал коммерческий интерес. Эта технология уже используется такими компаниями, как NVIDIA, Alibaba и Western Digital.

Ирония в том, что в RISC-V нет ничего революционного. Фонд отмечает на своей веб-странице: «RISC-V ISA основан на идеях компьютерной архитектуры, которым уже не менее 40 лет».

Что, пожалуй, является новаторским, так это бизнес-модель — или ее отсутствие. Именно это открывает проект для экспериментов, разработки и, возможно, неограниченного роста. Как отмечает Фонд RISC-V на своем веб-сайте:

«Интерес заключается в том, что это общий бесплатный и открытый стандарт, на который можно портировать программное обеспечение и который позволяет любому свободно разрабатывать собственное оборудование для запуска программного обеспечения».

На момент написания этой статьи чипы RISC-V в основном трудятся за кулисами в серверных фермах и в качестве микроконтроллеров. Остается выяснить, есть ли потенциал для того, чтобы встряхнуть дуополию ARM/Intel ISA в потребительском пространстве.

Однако в случае стагнации действующих компаний не исключено, что темная лошадка примчится и все изменит.