Якщо ви хочете створити комп’ютер з відкритим кодом, ви можете — якщо ви говорите про програмне забезпечення. Проте процесор під капотом є власним. RISC-V — це дизайн процесора з відкритим вихідним кодом, який швидко набирає обертів і обіцяє змінити комп’ютерний ландшафт.
Альтернатива розробкам Intel і ARM
Нині переважають два дизайни процесорів: ті, що створені ARM, і Intel x86. Хоча обидві компанії працюють у величезних масштабах, їхні бізнес-моделі принципово відрізняються.
Intel розробляє та виробляє власні мікросхеми, а ARM ліцензує свої проекти стороннім дизайнерам, таким як Qualcomm і Samsung, які потім додають свої власні покращення. Хоча Samsung має інфраструктуру для виробництва своїх процесорів власноруч, Qualcomm (та інші дизайнери, що займаються несправністю) передає цю важливу роботу третім сторонам.
У випадку з ARM це також часто вимагає від ліцензіарів підписання угоди про нерозголошення, призначених для збереження конфіденційності аспектів дизайну чіпа. Це не дивно, враховуючи, що вся його бізнес-модель побудована не на виробництві, а на інтелектуальній власності.
Між тим, Intel має власні секрети комерційного дизайну під замком. Оскільки обидва типи процесорів є комерційними, науковцям і хакерам із відкритим кодом важко (якщо не зовсім неможливо) вплинути на дизайн.
Чим відрізняється RISC-V
RISC-V дуже відрізняється. По-перше, це не компанія. Вперше він був задуманий у 2010 році вченими Каліфорнійський університет в Берклі як безоплатна альтернатива існуючим компаніям з відкритим кодом.
Це схоже на встановлення Linux замість Windows, тому вам не потрібно нічого купувати або погоджуватися на будь-які обтяжливі ліцензійні угоди. RISV-V прагне зробити те ж саме для дослідження та проектування напівпровідників.
ARM також ліцензує як архітектуру набору інструкцій (ISA), яка відноситься до команд, які можуть бути зрозумілі процесору, так і мікроархітектуру, яка показує, як її можна реалізувати.
RISC-V просто пропонує ISA, дозволяючи дослідникам і виробникам визначити, як вони насправді хочуть його використовувати. Це робить його масштабованим для пристроїв усіх категорій, від малопотужних 16-розрядних мікросхем для вбудованих систем до 128-розрядних процесорів для суперкомп’ютерів.
Як випливає з назви, RISC-V використовує принципи комп’ютера зі зменшеним набором інструкцій (RISC), такі ж, як і мікросхеми на основі ARM, MIPS, SPARC та Power.
Що це означає? Що ж, в основі будь-якого комп’ютерного процесора є речі, які називаються інструкціями. Простіше кажучи, це невеликі програми, представлені апаратними засобами, які вказують процесору, що робити.
Мікросхеми на основі RISC зазвичай мають менше інструкцій, ніж мікросхеми, які використовують комп’ютер зі складним набором команд (CISC), як і ті, які пропонує Intel. Крім того, самі інструкції набагато простіше впровадити в апаратне забезпечення.
Простіші інструкції означають, що виробники мікросхем можуть бути набагато ефективнішими зі своїми конструкціями мікросхем. Компроміс у тому, що ці відносно складні завдання не виконуються процесором. Замість цього вони розбиті на кілька менших інструкцій за програмним забезпеченням.
У результаті RISC отримав псевдонім Relegate the Important Stuff до компілятора. Хоча це звучить як погана річ, це не так. Однак, щоб зрозуміти це, вам спочатку потрібно зрозуміти, що таке комп’ютерний процесор.
Процесор у вашому телефоні або комп’ютері складається з мільярдів крихітних компонентів, які називаються транзисторами. У випадку мікросхем на основі CISC багато з цих транзисторів представляють різні доступні інструкції.
Оскільки мікросхеми RISC мають менше, простіші інструкції, вам не потрібно багато транзисторів. Це означає, що у вас є більше місця, щоб робити багато цікавих речей. Наприклад, ви можете включити більше кешу та регістрів пам’яті або додаткову функціональність для AI та обробки графіки.
Ви також можете зробити чіп фізично меншим, використовуючи менше загальних транзисторів. Ось чому чіпи на основі RISC від MIPS і ARM часто зустрічаються в пристроях Інтернету речей (IoT).
Потреба в швидкості
Звичайно, ліцензування не є єдиним аргументом для RISC-V. Девід Паттерсон, який керував першими дослідницькими проектами в галузі дизайну процесора RISC, сказав, що RISC-V був таким призначений для подолання майбутніх обмежень продуктивності ЦП які можна отримати від удосконалення виробництва.
Чим більше транзисторів ви можете помістити на чіпі, тим продуктивнішим стає процесор. В результаті виробники мікросхем, такі як TSMC і Samsung (які виробляють процесори від імені третіх сторін) наполегливо працюють над тим, щоб ще більше зменшити розмір транзисторів.
Перший комерційний мікропроцесор, Intel 4004, мав лише 2250 транзисторів, кожен розміром 10 000 нанометрів (близько 0,01 мм). Невеликий, звичайно, але на відміну від процесора Apple A14 Bionic, випущеного 40 років потому. Цей чіп (на якому працює новий iPad Air) має 11,8 мільярдів транзисторів, кожен з яких має діаметр 5 нанометрів.
У 1965 році Гордон Е. Мур, співзасновник Intel, припустив, що кількість транзисторів, які можна розмістити на чіпі, подвоюватиметься кожні два роки.
«Складність мінімальних витрат на компоненти збільшується приблизно в два рази на рік», – написав Мур у 35-річному номері журналу Electronics. «Звичайно, у короткостроковій перспективі можна очікувати, що цей показник продовжиться, якщо не збільшиться. У довгостроковій перспективі темпи зростання є дещо більш невизначеними, хоча немає підстав вважати, що вони не залишаться майже незмінними протягом принаймні 10 років».
Очікується, що закон Мура перестане діяти цього десятиліття. Також є значні сумніви щодо того, чи зможуть виробники мікросхем продовжувати цю тенденцію до мініатюризації в довгостроковій перспективі. Це стосується як базового наукового, так і економічного рівня.
Зрештою, менші транзистори набагато складніші та дорогі у виготовленні. TSMC, наприклад, витратила понад 17 мільярдів доларів на свою фабрику для створення 5-нм чіпів. Враховуючи цю цегляну стіну, Risk-V прагне вирішити проблему продуктивності, шукаючи способи, крім зменшення розміру та кількості транзисторів.
Компанії вже використовують RISC-V
Проект RISC-V стартував у 2010 році, а перший чіп з використанням ISA був виготовлений у 2011 році. Через три роки проект став публічним, і незабаром виник комерційний інтерес. Технологія вже використовується такими компаніями, як NVIDIA, Alibaba і Western Digital.
Іронія полягає в тому, що в RISC-V немає нічого новаторського. Фонд примітки на своїй веб-сторінці: «RISC-V ISA базується на ідеях архітектури комп’ютера, які сягають принаймні 40 років».
Але, можливо, новаторським є бізнес-модель — або її відсутність. Саме це піддає проект експерименту, розвитку та, потенційно, безперешкодному зростанню. Як Фонд RISC-V також зазначає на своєму веб-сайті:
«Цікавість полягає в тому, що це загальний безкоштовний і відкритий стандарт, на який можна переносити програмне забезпечення, і який дозволяє будь-кому вільно розробляти власне обладнання для запуску програмного забезпечення».
На момент написання цього матеріалу чіпи RISC-V значною мірою працювали за лаштунками в серверних фермах і як мікроконтролери. Залишається з’ясувати, чи є потенціал похитнути дуополію ARM/Intel ISA у споживчому просторі.
Однак, якщо чинні керівники стагнують, існує ймовірність того, що темний кінь міг би заскочити і змінити все.