ทางเลือกที่เปิดกว้างสำหรับ Intel และ ARM: RISC-V คืออะไร

หากคุณต้องการสร้างคอมพิวเตอร์โอเพ่นซอร์ส คุณก็ทำได้—ถ้าคุณกำลังพูดถึงซอฟต์แวร์ อย่างไรก็ตาม โปรเซสเซอร์ภายใต้ประทุนนั้นเป็นกรรมสิทธิ์ RISC-V คือการออกแบบโปรเซสเซอร์โอเพ่นซอร์สที่ได้รับแรงฉุดอย่างรวดเร็วและสัญญาว่าจะเปลี่ยนแนวการประมวลผล

ทางเลือกแทนการออกแบบของ Intel และ ARM

ในปัจจุบัน โปรเซสเซอร์สองดีไซน์ครองตำแหน่งสูงสุด: โปรเซสเซอร์ที่สร้างโดย ARM และ x86 ของ Intel แม้ว่าทั้งสองบริษัทจะดำเนินงานในระดับมหาศาล แต่รูปแบบธุรกิจของทั้งสองบริษัทมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน

Intel ออกแบบและผลิตชิปของตัวเอง ในขณะที่ ARM ให้สิทธิ์การออกแบบแก่นักออกแบบบุคคลที่สาม เช่น Qualcomm และ Samsung ซึ่งจะเพิ่มการปรับปรุงของตนเอง ในขณะที่ Samsung มีโครงสร้างพื้นฐานในการสร้างโปรเซสเซอร์ภายในบริษัท Qualcomm (และนักออกแบบ "fabless") คนอื่นๆ ได้ว่าจ้างบุคคลภายนอกให้ทำงานที่สำคัญนี้

ในกรณีของ ARM สิ่งนี้มักต้องการให้ผู้อนุญาตลงนามในข้อตกลงไม่เปิดเผยข้อมูลที่ออกแบบมาเพื่อรักษาแง่มุมต่างๆ ของการออกแบบชิปให้เป็นส่วนตัว ไม่น่าแปลกใจเลยที่เมื่อพิจารณาถึงรูปแบบธุรกิจทั้งหมดไม่ได้เกิดขึ้นจากการผลิต แต่เป็นทรัพย์สินทางปัญญา

ในขณะเดียวกัน Intel มีความลับในการออกแบบเชิงพาณิชย์ภายใต้การล็อคและกุญแจ เนื่องจากโปรเซสเซอร์ทั้งสองประเภทเป็นเชิงพาณิชย์ จึงเป็นเรื่องยาก (หากไม่ใช่สิ่งที่เป็นไปไม่ได้เลย) สำหรับนักวิชาการและแฮกเกอร์โอเพนซอร์สที่จะมีอิทธิพลต่อการออกแบบ

RISC-V แตกต่างกันอย่างไร

RISC-V แตกต่างอย่างมาก ประการแรก ไม่ใช่บริษัท เป็นครั้งแรกในปี 2010 โดยนักวิชาการจาก University of California ที่ Berkeley เป็นทางเลือกโอเพนซอร์สที่ไม่มีค่าลิขสิทธิ์แทนผู้ดำรงตำแหน่งที่มีอยู่

คล้ายกับการติดตั้ง Linux แทน Windows ดังนั้นคุณจึงไม่ต้องซื้ออะไรหรือยอมรับข้อตกลงอนุญาตให้ใช้สิทธิ์ที่ยุ่งยาก RISV-V มีเป้าหมายที่จะทำเช่นเดียวกันสำหรับการวิจัยและออกแบบเซมิคอนดักเตอร์

ARM ยังให้สิทธิ์ใช้งานทั้งสถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง (ISA) ซึ่งหมายถึงคำสั่งที่โปรเซสเซอร์สามารถเข้าใจได้โดยกำเนิด และสถาปัตยกรรมไมโคร ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปใช้ได้อย่างไร

RISC-V นำเสนอ ISA เท่านั้น ทำให้นักวิจัยและผู้ผลิตสามารถกำหนดได้ว่าพวกเขาต้องการใช้งานจริง ๆ อย่างไร ทำให้สามารถปรับขนาดได้สำหรับอุปกรณ์ทุกประเภท ตั้งแต่ชิป 16 บิตที่ใช้พลังงานต่ำสำหรับระบบฝังตัว ไปจนถึงโปรเซสเซอร์ 128 บิตสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์

ตามชื่อที่แนะนำ RISC-V ใช้หลักการคอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งลดขนาด (RISC) เช่นเดียวกับชิปที่ใช้การออกแบบ ARM, MIPS, SPARC และ Power

สิ่งนี้หมายความว่า? หัวใจสำคัญของโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ มีสิ่งที่เรียกว่าคำสั่ง โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งเหล่านี้คือโปรแกรมขนาดเล็กที่แสดงในฮาร์ดแวร์ซึ่งบอกโปรเซสเซอร์ว่าต้องทำอะไร

โดยทั่วไปแล้วชิปที่ใช้ RISC จะมีคำสั่งน้อยกว่าชิปที่ใช้การออกแบบคอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ซับซ้อน (CISC) เช่นเดียวกับที่ Intel นำเสนอ นอกจากนี้ คำสั่งเองยังง่ายกว่ามากในการนำไปใช้ในฮาร์ดแวร์

คำแนะนำที่ง่ายกว่าหมายความว่าผู้ผลิตชิปสามารถออกแบบชิปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ข้อเสียคืองานที่ค่อนข้างซับซ้อนเหล่านี้ไม่ได้ดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์ แต่จะแบ่งออกเป็นหลายคำสั่งย่อยๆ โดยใช้ซอฟต์แวร์แทน

ด้วยเหตุนี้ RISC จึงได้รับสมญานามว่า Relegate the Important Stuff to the Compiler แม้ว่าจะฟังดูแย่ แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งนี้ คุณต้องเข้าใจก่อนว่าตัวประมวลผลของคอมพิวเตอร์จริงๆ แล้วคืออะไร

โปรเซสเซอร์ในโทรศัพท์หรือคอมพิวเตอร์ของคุณประกอบด้วยส่วนประกอบเล็กๆ นับพันล้านชิ้นที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์ ในกรณีของชิปที่ใช้ CISC ทรานซิสเตอร์จำนวนมากเหล่านี้แสดงถึงคำแนะนำต่างๆ ที่มีอยู่

เนื่องจากชิป RISC มีคำสั่งน้อยกว่าและง่ายกว่า คุณจึงไม่จำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์จำนวนมาก ซึ่งหมายความว่าคุณมีพื้นที่มากขึ้นที่จะทำสิ่งที่น่าสนใจมากมาย ตัวอย่างเช่น คุณอาจรวมแคชและการลงทะเบียนหน่วยความจำเพิ่มเติม หรือฟังก์ชันเพิ่มเติมสำหรับการประมวลผล AI และกราฟิก

คุณยังสามารถทำให้ชิปมีขนาดเล็กลงได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์โดยรวมน้อยลง นี่คือเหตุผลที่ชิปที่ใช้ RISC จาก MIPS และ ARM มักพบในอุปกรณ์ Internet of Things (IoT)

ความต้องการความเร็ว

แน่นอน การออกใบอนุญาตไม่ใช่เหตุผลเดียวสำหรับ RISC-V เดวิด แพตเตอร์สัน ซึ่งเป็นผู้นำโครงการวิจัยชุดแรกในการออกแบบโปรเซสเซอร์ RISC กล่าวว่า RISC-V ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของ CPU ที่อาจเกิดขึ้นจากการปรับปรุงด้านการผลิต

ยิ่งคุณใส่ทรานซิสเตอร์ลงในชิปได้มากเท่าไร โปรเซสเซอร์ก็จะยิ่งมีความสามารถมากขึ้นเท่านั้น เป็นผลให้ผู้ผลิตชิปอย่าง TSMC และ Samsung (ซึ่งทั้งคู่ผลิตโปรเซสเซอร์ในนามของบุคคลที่สาม) กำลังทำงานอย่างหนักเพื่อลดขนาดของทรานซิสเตอร์ให้มากยิ่งขึ้น

ไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรก Intel 4004 มีทรานซิสเตอร์เพียง 2,250 ตัว โดยแต่ละตัววัดได้ 10,000 นาโนเมตร (ประมาณ 0.01 มม.) เล็ก แต่ตรงกันข้ามกับโปรเซสเซอร์ A14 Bionic ของ Apple ซึ่งเปิดตัว 40 ปีต่อมา ชิปนั้น (ซึ่งขับเคลื่อน iPad Air ใหม่) มีทรานซิสเตอร์ 11.8 พันล้านตัว โดยแต่ละตัววัดได้กว้าง 5 นาโนเมตร

ในปีพ.ศ. 2508 กอร์ดอน อี. มัวร์ ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel ได้ตั้งทฤษฎีว่าจำนวนทรานซิสเตอร์ที่สามารถวางบนชิปจะเพิ่มเป็นสองเท่าทุกๆ สองปี

“ความซับซ้อนของต้นทุนส่วนประกอบขั้นต่ำเพิ่มขึ้นในอัตราประมาณ 2 เท่าต่อปี” มัวร์เขียนในนิตยสาร Electronics ฉบับครบรอบ 35 ปี “แน่นอนว่าในระยะสั้น อัตรานี้สามารถคาดหวังได้ต่อไป หากไม่เพิ่มขึ้น ในระยะยาว อัตราการเพิ่มขึ้นมีความไม่แน่นอนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แม้ว่าจะไม่มีเหตุผลใดที่จะเชื่อได้ว่าอัตราการเพิ่มขึ้นจะไม่คงที่เกือบตลอดเวลาอย่างน้อย 10 ปี”

กฎของมัวร์คาดว่าจะยุติการใช้ในทศวรรษนี้ ยังมีข้อสงสัยอยู่มากว่าผู้ผลิตชิปสามารถดำเนินการต่อแนวโน้มนี้ไปสู่การลดขนาดในระยะยาวได้หรือไม่ สิ่งนี้ใช้ได้ทั้งในระดับวิทยาศาสตร์พื้นฐานและระดับเศรษฐศาสตร์

ทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่านั้นซับซ้อนกว่ามากและมีราคาแพงในการผลิต ตัวอย่างเช่น TSMC ใช้เงินกว่า 17 พันล้านดอลลาร์ในโรงงานเพื่อสร้างชิป 5 นาโนเมตร ด้วยกำแพงอิฐนี้ Risk-V มีเป้าหมายเพื่อแก้ไขปัญหาด้านประสิทธิภาพโดยพิจารณาจากวิธีการต่างๆ นอกเหนือจากการลดขนาดและจำนวนทรานซิสเตอร์

บริษัทต่างๆ กำลังใช้ RISC-V . อยู่แล้ว

โครงการ RISC-V เริ่มต้นในปี 2010 และชิปตัวแรกที่ใช้ ISA นั้นผลิตขึ้นในปี 2011 สามปีต่อมา โครงการดังกล่าวได้เผยแพร่สู่สาธารณะ และความสนใจในเชิงพาณิชย์ก็ตามมาในไม่ช้า เทคโนโลยีนี้ถูกใช้โดยบริษัทต่างๆ เช่น NVIDIA, Alibaba และ Western Digital

การประชดคือไม่มีอะไรแปลกใหม่เกี่ยวกับ RISC-V มูลนิธิตั้งข้อสังเกตบนเว็บเพจว่า “RISC-V ISA อิงตามแนวคิดสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ที่มีอายุอย่างน้อย 40 ปี”

แม้ว่ารูปแบบธุรกิจที่แหวกแนวจะเป็นรูปแบบใหม่หรือขาดหายไป สิ่งนี้เองที่ทำให้โครงการต้องทดลอง พัฒนา และเติบโตอย่างอิสระ ตามที่มูลนิธิ RISC-V ยังระบุไว้ในเว็บไซต์:

“สิ่งที่น่าสนใจก็คือเพราะมันเป็นมาตรฐานแบบเปิดและฟรีทั่วไปที่สามารถพอร์ตซอฟต์แวร์ได้ ซึ่งช่วยให้ทุกคนสามารถพัฒนาฮาร์ดแวร์ของตนเองได้อย่างอิสระเพื่อใช้งานซอฟต์แวร์”

ในการเขียนนี้ ชิป RISC-V ทำงานอย่างหนักเบื้องหลังในเซิร์ฟเวอร์ฟาร์มและในฐานะไมโครคอนโทรลเลอร์ ยังคงต้องจับตาดูว่ามีศักยภาพใดที่จะเขย่า duopoly ARM/Intel ISA ในพื้นที่ผู้บริโภค

อย่างไรก็ตาม หากผู้ครอบครองตำแหน่งซบเซา ก็อยู่ในขอบเขตของความเป็นไปได้ที่ม้ามืดจะควบเข้ามาและเปลี่ยนแปลงทุกสิ่ง