Якщо ви прагнете створити комп’ютер на базі відкритого коду, то у сфері програмного забезпечення це цілком можливо. Однак, серцем кожного комп’ютера є процесор, який зазвичай є власницькою розробкою. RISC-V пропонує альтернативу – процесорну архітектуру з відкритим вихідним кодом, яка стрімко набирає популярності та має потенціал докорінно змінити комп’ютерну індустрію.
Альтернативний погляд на процесорні розробки Intel та ARM
Сьогодні на ринку домінують дві основні архітектури процесорів: розробки компанії ARM та Intel x86. Обидві компанії є гігантами індустрії, але їхні бізнес-моделі суттєво відрізняються.
Intel займається як розробкою, так і виробництвом власних мікросхем, в той час як ARM ліцензує свої проєкти іншим компаніям, таким як Qualcomm і Samsung. Ці компанії, в свою чергу, вносять власні вдосконалення у ці розробки. Хоча Samsung має власні виробничі потужності для випуску процесорів, Qualcomm та інші розробники звертаються до послуг сторонніх виробників.
У випадку з ARM, ліцензіати часто зобов’язані підписувати угоди про нерозголошення, що зберігають конфіденційність певних аспектів дизайну чіпа. Це не дивно, оскільки бізнес-модель ARM ґрунтується не на виробництві, а на інтелектуальній власності.
Intel також зберігає секретність своїх комерційних розробок. Оскільки обидва типи процесорів є комерційними продуктами, вченим та розробникам з відкритим кодом важко, а іноді й неможливо, вплинути на їхній дизайн.
RISC-V: У чому його унікальність?
RISC-V має принципово інший підхід. По-перше, це не компанія. Цей проєкт був започаткований у 2010 році науковцями з Каліфорнійського університету в Берклі як безкоштовна альтернатива існуючим комерційним розробкам.
Можна провести аналогію з встановленням Linux замість Windows – вам не потрібно нічого купувати або погоджуватися на обтяжливі ліцензійні умови. RISC-V прагне досягти того ж самого у сфері дослідження та розробки напівпровідників.
ARM ліцензує як архітектуру набору інструкцій (ISA), яка визначає команди, зрозумілі процесору, так і мікроархітектуру, що описує спосіб її реалізації. RISC-V пропонує лише ISA, надаючи розробникам свободу вибору способу її використання. Це робить його масштабованим для пристроїв різного класу – від малопотужних 16-розрядних мікросхем до 128-розрядних процесорів для суперкомп’ютерів.
Як випливає з назви, RISC-V використовує принципи комп’ютера зі зменшеним набором інструкцій (RISC), подібно до мікросхем на базі ARM, MIPS, SPARC та Power.
Що це означає? Будь-який процесор має набір інструкцій – невеликих програм, представлених на апаратному рівні, які вказують процесору, що робити. Мікросхеми на основі RISC зазвичай мають менше інструкцій, ніж мікросхеми, що використовують комп’ютер зі складним набором команд (CISC), як, наприклад, Intel. Крім того, інструкції RISC простіші у реалізації на апаратному рівні.
Простіші інструкції дозволяють виробникам мікросхем створювати ефективніші конструкції. Компроміс полягає в тому, що складніші завдання виконуються програмним забезпеченням, розбиваючи їх на кілька дрібніших інструкцій. Саме тому RISC отримав назву “Relegate the Important Stuff to the compiler” (Перекладання важливих речей на компілятор).
Щоб зрозуміти переваги RISC, потрібно розібратися, з чого складається комп’ютерний процесор. Процесор у вашому телефоні або комп’ютері складається з мільярдів транзисторів. У випадку мікросхем CISC, багато з цих транзисторів відповідають за різні доступні інструкції. Мікросхеми RISC мають менше і простіші інструкції, а отже, потребують меншої кількості транзисторів. Це дає більше можливостей для додавання кеш-пам’яті, регістрів пам’яті або додаткової функціональності для штучного інтелекту та обробки графіки. Також можна створити менший чіп, що є важливим для пристроїв Інтернету речей (IoT), де часто зустрічаються мікросхеми на базі RISC від MIPS та ARM.
Змагання швидкостей
Звичайно, відкрите ліцензування – не єдина перевага RISC-V. Девід Паттерсон, один з перших дослідників у галузі процесорів RISC, зазначив, що RISC-V був спроектований для подолання майбутніх обмежень продуктивності, що виникають внаслідок удосконалення виробничих технологій.
Чим більше транзисторів можна розмістити на чіпі, тим вища продуктивність процесора. Тому виробники мікросхем постійно працюють над зменшенням розміру транзисторів. Перший комерційний мікропроцесор, Intel 4004, мав 2250 транзисторів, кожен розміром 10000 нанометрів. Для порівняння, процесор Apple A14 Bionic має 11.8 мільярдів транзисторів, кожен діаметром 5 нанометрів.
У 1965 році Гордон Мур, співзасновник Intel, сформулював закон Мура, який стверджує, що кількість транзисторів на чіпі подвоюватиметься кожні два роки. Хоча цей закон діяв протягом багатьох років, зараз є сумніви щодо його подальшої актуальності. Виробництво менших транзисторів стає дедалі складнішим і дорожчим. Наприклад, TSMC витратила понад 17 мільярдів доларів на будівництво заводу для виробництва 5-нм чіпів. Зважаючи на ці труднощі, RISC-V прагне підвищити продуктивність процесорів, шукаючи інші шляхи, крім зменшення розміру транзисторів.
Компанії, що вже використовують RISC-V
Проект RISC-V розпочався у 2010 році, а перший чіп на базі ISA був виготовлений у 2011 році. Через три роки проект став публічним, і невдовзі з’явився комерційний інтерес. Зараз цю технологію використовують такі компанії, як NVIDIA, Alibaba і Western Digital.
Іронічно, в RISC-V немає нічого принципово нового. Як зазначається на сайті фонду, RISC-V ISA базується на ідеях архітектури комп’ютерів, яким вже щонайменше 40 років.
Новаторською є саме бізнес-модель – або її відсутність. Це створює можливості для експериментів, розвитку та, потенційно, безперешкодного зростання. Як зазначає Фонд RISC-V на своєму 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 цього програмного забезпечення».
Наразі RISC-V чіпи в основному використовуються у серверних фермах та як мікроконтролери. Чи зможуть вони похитнути дуополію ARM/Intel у споживчому секторі – покаже час. Однак, у випадку стагнації існуючих лідерів, цілком можливо, що з’явиться “темна конячка”, яка змінить правила гри.