Jeśli chcesz zbudować komputer typu open source, możesz – jeśli mówisz o oprogramowaniu. Procesor pod maską jest jednak zastrzeżony. RISC-V to projekt procesora typu open source, który szybko zyskuje na popularności i obiecuje zmienić krajobraz obliczeniowy.
Spis treści:
Alternatywa dla projektów Intel i ARM
Obecnie królują dwa projekty procesorów: te stworzone przez ARM i Intel x86. Chociaż obie firmy działają na olbrzymią 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 posiada infrastrukturę umożliwiającą samodzielne wytwarzanie procesorów, Qualcomm (i inni „fabless” projektanci) zleca te ważne prace stronom trzecim.
W przypadku ARM często wymaga to również od licencjodawców podpisania umów o zachowaniu poufności, których celem jest zachowanie prywatności 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 komercyjnego projektowania. Ponieważ oba typy procesorów są komercyjne, naukowcom i hakerom open source trudno (jeśli nie całkowicie niemożliwe) wpłynąć na projekt.
Czym różni się RISC-V
RISC-V jest zupełnie inny. Po pierwsze, to nie jest firma. Został po raz pierwszy wymyślony w 2010 roku przez naukowców w Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley jako otwarta, wolna od opłat alternatywa dla obecnych operatorów.
Jest to podobne do instalowania Linuksa zamiast systemu Windows, więc nie musisz niczego kupować ani zgadzać się na uciążliwe umowy licencyjne. RISV-V ma na celu zrobić to samo w przypadku badań i projektowania półprzewodników.
ARM licencjonuje również architekturę zestawu instrukcji (ISA), która odnosi się do poleceń, które są natywnie zrozumiałe dla procesora, oraz mikroarchitekturę, która pokazuje, jak można ją zaimplementować.
RISC-V oferuje jedynie ISA, umożliwiając badaczom i producentom określenie, w jaki sposób chcą go używać. To sprawia, że jest skalowalny dla urządzeń wszystkich pasm, 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 o zredukowanym zestawie instrukcji (RISC), takie same jak chipy oparte na projektach ARM, MIPS, SPARC i Power.
Co to znaczy? Cóż, sercem każdego procesora komputerowego są rzeczy zwane instrukcjami. Mówiąc najprościej, są to małe programy reprezentowane w sprzęcie, które mówią procesorowi, co ma robić.
Chipy oparte na procesorach RISC mają zwykle mniej instrukcji niż chipy wykorzystujące projekt komputera ze złożonym zestawem instrukcji (CISC), taki jak te oferowane przez firmę Intel. Ponadto same instrukcje są znacznie prostsze do wdrożenia w sprzęcie.
Prostsze instrukcje oznaczają, że producenci chipów mogą być znacznie bardziej wydajni w projektowaniu chipów. Wadą jest to, że te stosunkowo złożone zadania nie są wykonywane przez procesor. Zamiast tego są podzielone na wiele mniejszych instrukcji przez oprogramowanie.
W rezultacie RISC zyskało przydomek Relegate the Important Stuff to the Compiler. Chociaż brzmi to jak zła rzecz, tak nie jest. Aby to jednak zrozumieć, musisz najpierw zrozumieć, czym właściwie jest procesor komputera.
Procesor w telefonie lub komputerze składa się z miliardów małych 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 do przetwarzania AI i grafiki.
Możesz także fizycznie zmniejszyć rozmiar układu, używając mniejszej ogólnej liczby tranzystorów. Właśnie dlatego chipy oparte na procesorach RISC od MIPS i ARM są często spotykane w urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT).
Potrzeba szybkości
Oczywiście licencjonowanie nie jest jedynym uzasadnieniem RISC-V. David Patterson, który kierował pierwszymi projektami badawczymi w zakresie projektowania procesorów RISC, powiedział, że RISC-V był zaprojektowany w celu rozwiązania zbliżających się ograniczeń wydajności procesora które można uzyskać dzięki ulepszeniom produkcyjnym.
Im więcej tranzystorów można zmieścić w chipie, tym bardziej wydajny staje się procesor. W rezultacie producenci chipów, tacy jak TSMC i Samsung (obaj produkują procesory w imieniu stron trzecich), ciężko pracują, aby jeszcze bardziej zmniejszyć rozmiar tranzystorów.
Pierwszy komercyjny mikroprocesor, Intel 4004, miał zaledwie 2250 tranzystorów, każdy o wielkości 10 000 nanometrów (około 0,01 mm). Niewielki, z pewnością, ale w przeciwieństwie do procesora Apple A14 Bionic, wydanego 40 lat później. Ten chip (który zasila nowego iPada Air) ma 11,8 miliarda tranzystorów, każdy o średnicy 5 nanometrów.
W 1965 roku Gordon E. Moore, współzałożyciel Intela, wysunął teorię, że liczba tranzystorów, które można umieścić w chipie, podwaja się co dwa lata.
„Złożoność minimalnych kosztów komponentów rosła w tempie mniej więcej dwa razy na rok” – napisał Moore w 35-leciu magazynu Electronics. „Z pewnością w perspektywie krótkoterminowej można oczekiwać, że stopa ta będzie się utrzymywać, jeśli nie wzrośnie. W dłuższej perspektywie tempo wzrostu jest nieco bardziej niepewne, chociaż nie ma powodu, aby sądzić, że nie pozostanie prawie stałe przez co najmniej 10 lat ”.
Oczekuje się, że prawo Moore’a przestanie obowiązywać w tej dekadzie. Istnieją również poważne wątpliwości, czy producenci chipów mogą kontynuować ten trend w kierunku miniaturyzacji w dłuższej perspektywie. Dotyczy to zarówno podstawowego poziomu naukowego, jak i ekonomicznego.
W końcu mniejsze tranzystory są znacznie bardziej skomplikowane i droższe w produkcji. Na przykład TSMC wydało na swoją fabrykę ponad 17 miliardów dolarów na stworzenie chipów 5 nm. Biorąc pod uwagę ten mur z cegły, 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 chip wykorzystujący ISA został wyprodukowany w 2011 roku. Trzy lata później projekt wszedł na giełdę i wkrótce nastąpiło zainteresowanie komercyjne. Technologia jest już używana przez firmy takie jak NVIDIA, Alibaba i Western Digital.
Ironia polega na tym, że w RISC-V nie ma nic przełomowego. Fundacja uwagi na swojej stronie internetowej: „RISC-V ISA opiera się na koncepcjach architektury komputerów, które sięgają co najmniej 40 lat wstecz”.
Jednak przełomowym jest model biznesowy – lub jego brak. To właśnie wystawia projekt na eksperymenty, rozwój i potencjalnie nieskrępowany wzrost. Jako Fundacja RISC-V również uwagi na swojej stronie internetowej:
„Zainteresowanie wynika z tego, że jest to powszechny wolny i otwarty standard, na który można przenosić oprogramowanie i który umożliwia każdemu swobodne tworzenie własnego sprzętu do uruchamiania oprogramowania”.
W chwili pisania tego tekstu układy RISC-V w dużej mierze pracują za kulisami w farmach serwerów i jako mikrokontrolery. Czas pokaże, czy istnieje jakikolwiek potencjał, aby wstrząsnąć duopolem ARM / Intel ISA w przestrzeni konsumenckiej.
Jednakże, jeśli obecni pozostaną w stagnacji, istnieje możliwość, że czarny koń mógłby galopować i zmienić wszystko.