Jeżeli planujesz stworzyć komputer w modelu open source, istnieje taka możliwość – jeśli chodzi o oprogramowanie. Jednak jeśli mówimy o procesorach, sytuacja wygląda nieco inaczej. RISC-V to projekt procesora typu open source, który zyskuje na znaczeniu i ma potencjał, aby zrewolucjonizować świat obliczeń.
Alternatywa dla Intel i ARM
Obecnie na rynku dominują dwa główne projekty procesorów: ARM oraz Intel x86. Mimo że obie korporacje działają na szeroką skalę, ich modele biznesowe są diametralnie różne.
Intel projektuje i wytwarza własne chipy, podczas gdy ARM udziela licencji na swoje projekty innym firmom, takim jak Qualcomm czy Samsung, które dodają własne innowacje. Podczas gdy Samsung ma możliwości samodzielnej produkcji procesorów, Qualcomm i inne firmy „fabless” zlecają te kluczowe czynności zewnętrznym producentom.
W przypadku ARM często wymaga się od licencjobiorców podpisania umów o zachowaniu poufności, aby chronić aspekty projektu chipów. Nic dziwnego, ponieważ cały ich model biznesowy opiera się na ochronie własności intelektualnej, a nie na produkcji.
Z drugiej strony Intel chroni swoje tajemnice komercyjne w zakresie projektowania. Ponieważ oba typy procesorów są komercyjne, naukowcom oraz entuzjastom open source trudno jest (jeśli nie całkowicie niemożliwe) wpłynąć na ich konstrukcję.
Czym wyróżnia się RISC-V
RISC-V jest zupełnie różny. Przede wszystkim, nie jest to korporacja. Został zapoczątkowany w 2010 roku przez badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley jako otwarta i darmowa alternatywa dla istniejących rozwiązań.
Można to porównać do instalacji Linuksa zamiast korzystania z systemu Windows, co oznacza, że nie musisz nic kupować ani zgadzać się na skomplikowane umowy licencyjne. RISC-V ma na celu osiągnięcie podobnego efektu w dziedzinie badań i projektowania półprzewodników.
ARM licencjonuje także architekturę zestawu instrukcji (ISA), która odnosi się do poleceń zrozumiałych dla procesora, oraz mikroarchitekturę, która pokazuje, jak można je wdrożyć.
W przeciwieństwie do tego, RISC-V udostępnia jedynie ISA, co pozwala badaczom i producentom na swobodne korzystanie z tej architektury. Dzięki temu jest skalowalny dla urządzeń w różnych zastosowaniach, od 16-bitowych chipów o niskim poborze mocy do 128-bitowych procesorów dla superkomputerów.
Jak sama nazwa wskazuje, RISC-V korzysta z zasad architektury RISC (Reduced Instruction Set Computer), podobnie jak chipy oparte na projektach ARM, MIPS, SPARC i Power.
Co to w praktyce oznacza? Serce każdego procesora składa się z instrukcji, które można opisać jako małe programy w sprzęcie, informujące procesor, co ma robić.
Chipy RISC zazwyczaj mają mniej instrukcji niż te oparte na złożonym zestawie instrukcji (CISC), takie jak te produkowane przez Intel. Dodatkowo, same instrukcje są prostsze do zaimplementowania w sprzęcie.
Prostsze instrukcje oznaczają, że producenci chipów mogą bardziej efektywnie projektować swoje układy. Jednak złożone zadania są rozdzielane na mniejsze instrukcje przez oprogramowanie.
W rezultacie RISC zyskał miano „Relegate the Important Stuff to the Compiler”. Choć może wydawać się to negatywne, w rzeczywistości tak nie jest. By to zrozumieć, warto najpierw przyjrzeć się, czym dokładnie jest procesor komputera.
Procesor w telefonie czy komputerze składa się z miliardów tranzystorów. W chipach opartych na CISC, wiele z tych tranzystorów reprezentuje różne dostępne instrukcje.
Chipy RISC, mając prostsze instrukcje, nie potrzebują tak dużej liczby tranzystorów. To z kolei pozwala na więcej miejsca na inne interesujące funkcje. Można na przykład dodać więcej pamięci podręcznej, pamięci lub dodatkowe możliwości związane z AI i grafiką.
Dzięki mniejszej liczbie tranzystorów można również fizycznie zmniejszyć rozmiar układu. Dlatego chipy RISC od MIPS i ARM często znajdują zastosowanie w urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT).
Potrzeba wydajności
Licencjonowanie to nie jedyna motywacja dla rozwoju RISC-V. David Patterson, który prowadził pierwsze projekty badawcze dotyczące procesorów RISC, zauważył, że RISC-V został stworzony w celu przezwyciężenia nadchodzących ograniczeń wydajności procesorów, które można osiągnąć poprzez ulepszenia technologiczne.
Im więcej tranzystorów można umieścić w chipie, tym procesor staje się bardziej efektywny. Z tego powodu producenci chipów, tacy jak TSMC i Samsung, intensywnie pracują nad dalszym zmniejszaniem rozmiarów tranzystorów.
Pierwszy mikroprocesor komercyjny, Intel 4004, miał zaledwie 2250 tranzystorów, każdy o wielkości 10 000 nanometrów (około 0,01 mm). Niewielki, ale w porównaniu do procesora Apple A14 Bionic, który został wydany 40 lat później, wygląda to zgoła inaczej. Ten chip, zasilający nowego iPada Air, zawiera 11,8 miliarda tranzystorów, każdy o średnicy 5 nanometrów.
W 1965 roku Gordon E. Moore, współzałożyciel Intela, zaproponował teorię, według której liczba tranzystorów 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. „W krótkiej perspektywie można oczekiwać, że stopa ta będzie się utrzymywać, jeśli nie wzrośnie. W dłuższym okresie tempo wzrostu jest nieco bardziej niepewne, chociaż nie ma powodu, by sądzić, że nie pozostanie na poziomie stabilnym przez co najmniej 10 lat.”
Przewiduje się, że prawo Moore’a przestanie obowiązywać w tej dekadzie. Pojawiają się również poważne wątpliwości, czy producenci chipów będą w stanie kontynuować ten trend miniaturyzacji w dłuższej perspektywie, zarówno z punktu widzenia naukowego, jak i ekonomicznego.
W końcu, mniejsze tranzystory są znacznie bardziej złożone i drogie w produkcji. Na przykład TSMC zainwestowało ponad 17 miliardów dolarów w budowę fabryki produkującej chipy 5 nm. W obliczu tych wyzwań, RISC-V dąży do rozwiązania problemu wydajności, poszukując alternatyw poza zmniejszeniem rozmiaru i liczby tranzystorów.
Firmy już korzystają z RISC-V
Projekt RISC-V rozpoczął się w 2010 roku, a pierwszy chip z wykorzystaniem tej architektury został wyprodukowany w 2011 roku. Trzy lata później projekt wszedł na giełdę, co spowodowało wzrost zainteresowania komercyjnego. Obecnie technologia ta jest wykorzystywana przez takie firmy jak NVIDIA, Alibaba oraz Western Digital.
Co ciekawe, RISC-V nie wprowadza nic przełomowego. Fundacja zaznacza na swojej stronie: „RISC-V ISA opiera się na koncepcjach architektury komputerowej, które mają ponad 40-letnią historię”.
Jednak rewolucyjny jest model biznesowy – lub jego brak. To otwiera projekt na eksperymenty, rozwój oraz potencjalny nieograniczony wzrost. Jak podkreśla Fundacja RISC-V w swoim oświadczeniu:
„Zainteresowanie tym projektem wynika z faktu, że jest to powszechny, wolny i otwarty standard, który umożliwia przenoszenie oprogramowania oraz pozwala każdemu na swobodne tworzenie własnego sprzętu do uruchamiania oprogramowania”.
Na chwilę obecną układy RISC-V w dużej mierze funkcjonują w tle, w farmach serwerów oraz jako mikrokontrolery. Czas pokaże, czy technologia ta ma potencjał, aby zakwestionować dominację ARM i Intel w przestrzeni konsumenckiej.
Jednakże, jeżeli obecni gracze wciąż będą tkwić w stagnacji, istnieje szansa, że czarny koń może w końcu wstrząsnąć tym rynkiem i wszystko zmienić.