Εάν θέλετε να δημιουργήσετε έναν υπολογιστή ανοιχτού κώδικα, μπορείτε—αν μιλάτε για λογισμικό. Ο επεξεργαστής κάτω από την κουκούλα, ωστόσο, είναι ιδιόκτητος. RISC-V είναι ένας σχεδιασμός επεξεργαστή ανοιχτού κώδικα που κερδίζει ραγδαία έλξη και υπόσχεται να αλλάξει το τοπίο των υπολογιστών.
Πίνακας περιεχομένων
Μια εναλλακτική λύση στα σχέδια Intel και ARM
Επί του παρόντος, δύο σχέδια επεξεργαστών κυριαρχούν: αυτά που δημιουργήθηκαν από την ARM και το x86 της Intel. Ενώ και οι δύο εταιρείες λειτουργούν σε τεράστια κλίμακα, τα επιχειρηματικά τους μοντέλα είναι θεμελιωδώς διαφορετικά.
Η Intel σχεδιάζει και κατασκευάζει τα δικά της τσιπ, ενώ η ARM αδειοδοτεί τα σχέδιά της σε τρίτους σχεδιαστές, όπως η Qualcomm και η Samsung, οι οποίοι στη συνέχεια προσθέτουν τις δικές τους βελτιώσεις. Ενώ η Samsung έχει την υποδομή για να κατασκευάσει τους επεξεργαστές της στο εσωτερικό της, η Qualcomm (και άλλοι σχεδιαστές «αυθόρμητων») αναθέτει σε τρίτους αυτό το σημαντικό έργο.
Στην περίπτωση της ARM, αυτό απαιτεί επίσης συχνά από τους δικαιοπάροχους να υπογράφουν συμφωνίες μη αποκάλυψης που έχουν σχεδιαστεί για να κρατούν ιδιωτικές πτυχές του σχεδιασμού ενός τσιπ. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένου ότι ολόκληρο το επιχειρηματικό της μοντέλο δεν διαμορφώνεται γύρω από την κατασκευή, αλλά μάλλον με την πνευματική ιδιοκτησία.
Εν τω μεταξύ, η Intel έχει τα δικά της μυστικά εμπορικού σχεδιασμού με κλειδαριά. Δεδομένου ότι και οι δύο τύποι επεξεργαστών είναι εμπορικοί, είναι δύσκολο (αν όχι εντελώς αδύνατο) για ακαδημαϊκούς και χάκερ ανοιχτού κώδικα να επηρεάσουν τη σχεδίαση.
Πώς διαφέρει το RISC-V
Το RISC-V είναι πολύ διαφορετικό. Πρώτον, δεν είναι εταιρεία. Συνελήφθη για πρώτη φορά το 2010 από ακαδημαϊκούς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ ως εναλλακτική λύση ανοιχτού κώδικα, χωρίς δικαιώματα εκμετάλλευσης, σε σχέση με τους υπάρχοντες φορείς.
Είναι παρόμοιο με την εγκατάσταση Linux αντί για Windows, ώστε να μην χρειάζεται να αγοράσετε τίποτα ή να συμφωνήσετε με επαχθείς συμφωνίες αδειοδότησης. Το RISV-V στοχεύει να κάνει το ίδιο για την έρευνα και το σχεδιασμό ημιαγωγών.
Η ARM αδειοδοτεί επίσης τόσο την αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (ISA), η οποία αναφέρεται στις εντολές που μπορούν να γίνουν εγγενώς κατανοητές από έναν επεξεργαστή, όσο και τη μικροαρχιτεκτονική, η οποία δείχνει πώς μπορεί να εφαρμοστεί.
Το RISC-V προσφέρει απλώς το ISA, επιτρέποντας σε ερευνητές και κατασκευαστές να καθορίσουν πώς πραγματικά θέλουν να το χρησιμοποιήσουν. Αυτό το καθιστά επεκτάσιμο για συσκευές όλων των λωρίδων, από τσιπ χαμηλής ισχύος, 16-bit για ενσωματωμένα συστήματα, έως επεξεργαστές 128-bit για υπερυπολογιστές.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, το RISC-V χρησιμοποιεί τις αρχές του υπολογιστή μειωμένου συνόλου εντολών (RISC), το ίδιο με τα τσιπ που βασίζονται σε σχέδια ARM, MIPS, SPARC και Power.
Τι σημαίνει αυτό? Λοιπόν, στην καρδιά οποιουδήποτε επεξεργαστή υπολογιστή, υπάρχουν πράγματα που ονομάζονται οδηγίες. Με τους πιο βασικούς όρους, αυτά είναι μικρά προγράμματα που αντιπροσωπεύονται σε υλικό που λένε στον επεξεργαστή τι να κάνει.
Τα τσιπ που βασίζονται σε RISC έχουν συνήθως λιγότερες οδηγίες από τα τσιπ που χρησιμοποιούν ένα σύνθετο σχέδιο υπολογιστή σετ εντολών (CISC), όπως αυτά που προσφέρει η Intel. Επιπλέον, οι ίδιες οι οδηγίες είναι πολύ πιο απλές στην εφαρμογή στο υλικό.
Οι απλούστερες οδηγίες σημαίνουν ότι οι κατασκευαστές τσιπ μπορούν να είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί με τα σχέδια τσιπ τους. Το συμβιβασμό είναι ότι αυτές οι σχετικά πολύπλοκες εργασίες δεν εκτελούνται από τον επεξεργαστή. Αντίθετα, αναλύονται σε πολλαπλές, μικρότερες οδηγίες ανά λογισμικό.
Ως αποτέλεσμα, το RISC έχει κερδίσει το ψευδώνυμο Relegate the Important Stuff to the Compiler. Αν και αυτό ακούγεται κακό, δεν είναι. Για να το καταλάβετε, όμως, πρέπει πρώτα να καταλάβετε τι είναι στην πραγματικότητα ένας επεξεργαστής υπολογιστή.
Ο επεξεργαστής στο τηλέφωνο ή τον υπολογιστή σας αποτελείται από δισεκατομμύρια μικροσκοπικά εξαρτήματα που ονομάζονται τρανζίστορ. Στην περίπτωση των τσιπ που βασίζονται σε CISC, πολλά από αυτά τα τρανζίστορ αντιπροσωπεύουν τις διάφορες διαθέσιμες οδηγίες.
Δεδομένου ότι τα τσιπ RISC έχουν λιγότερες, απλούστερες οδηγίες, δεν χρειάζεστε πολλά τρανζίστορ. Αυτό σημαίνει ότι έχετε περισσότερο χώρο για να κάνετε πολλά ενδιαφέροντα πράγματα. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να συμπεριλάβετε περισσότερους καταχωρητές κρυφής μνήμης και μνήμης ή επιπλέον λειτουργικότητα για τεχνητή νοημοσύνη και επεξεργασία γραφικών.
Μπορείτε επίσης να κάνετε το τσιπ φυσικά μικρότερο χρησιμοποιώντας λιγότερα συνολικά τρανζίστορ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα τσιπ που βασίζονται σε RISC από τα MIPS και ARM βρίσκονται συχνά σε συσκευές Internet of Things (IoT).
Η ανάγκη για ταχύτητα
Φυσικά, η αδειοδότηση δεν είναι η μόνη λογική για το RISC-V. Ο David Patterson, ο οποίος ηγήθηκε των πρώτων ερευνητικών έργων στον σχεδιασμό επεξεργαστών RISC, είπε ότι το RISC-V ήταν σχεδιασμένο για να αντιμετωπίσει τα επικείμενα όρια στην απόδοση της CPU που μπορεί να προκύψει από τις βελτιώσεις στην κατασκευή.
Όσο περισσότερα τρανζίστορ μπορείτε να χωρέσετε σε ένα τσιπ, τόσο πιο ικανός γίνεται τελικά ένας επεξεργαστής. Ως αποτέλεσμα, κατασκευαστές τσιπ όπως η TSMC και η Samsung (που και οι δύο κατασκευάζουν επεξεργαστές για λογαριασμό τρίτων) εργάζονται σκληρά για να συρρικνώσουν ακόμη περισσότερο το μέγεθος των τρανζίστορ.
Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής του εμπορίου, ο Intel 4004, είχε μόλις 2.250 τρανζίστορ, το καθένα με μέγεθος 10.000 νανόμετρα (περίπου 0,01 mm). Μικρός, σίγουρα, αλλά σε αντίθεση με τον επεξεργαστή A14 Bionic της Apple, που κυκλοφόρησε 40 χρόνια αργότερα. Αυτό το τσιπ (το οποίο τροφοδοτεί το νέο iPad Air) έχει 11,8 δισεκατομμύρια τρανζίστορ, το καθένα με διάμετρο 5 νανόμετρα.
Το 1965, ο Gordon E. Moore, ο συνιδρυτής της Intel, θεώρησε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε ένα τσιπ θα διπλασιαζόταν κάθε δύο χρόνια.
«Η πολυπλοκότητα για το ελάχιστο κόστος εξαρτημάτων έχει αυξηθεί με ρυθμό περίπου δύο φορές το χρόνο», έγραψε ο Μουρ στο τεύχος 35ης επετείου του περιοδικού Electronics. «Σίγουρα, βραχυπρόθεσμα, αυτό το ποσοστό αναμένεται να συνεχιστεί, αν όχι να αυξηθεί. Μακροπρόθεσμα, ο ρυθμός αύξησης είναι λίγο πιο αβέβαιος, αν και δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι δεν θα παραμείνει σχεδόν σταθερός για τουλάχιστον 10 χρόνια».
Ο νόμος του Μουρ αναμένεται να πάψει να ισχύει αυτή τη δεκαετία. Υπάρχει επίσης σημαντική αμφιβολία για το εάν οι κατασκευαστές τσιπ μπορούν να συνεχίσουν αυτή την τάση προς τη μικρογραφία μακροπρόθεσμα. Αυτό ισχύει τόσο σε βασικό επιστημονικό επίπεδο όσο και σε οικονομικό.
Τα μικρότερα τρανζίστορ είναι, τελικά, πολύ πιο περίπλοκα και ακριβά στην κατασκευή τους. Η TSMC, για παράδειγμα, ξόδεψε πάνω από 17 δισεκατομμύρια δολάρια στο εργοστάσιό της για τη δημιουργία τσιπ 5 nm. Δεδομένου αυτού του τοίχου από τούβλα, το Risk-V στοχεύει να αντιμετωπίσει το πρόβλημα της απόδοσης εξετάζοντας τρόπους εκτός από τη συρρίκνωση του μεγέθους και του αριθμού των τρανζίστορ.
Οι εταιρείες χρησιμοποιούν ήδη το RISC-V
Το έργο RISC-V ξεκίνησε το 2010 και το πρώτο τσιπ που χρησιμοποιεί το ISA κατασκευάστηκε το 2011. Τρία χρόνια αργότερα, το έργο έγινε δημόσια και σύντομα ακολούθησε εμπορικό ενδιαφέρον. Η τεχνολογία χρησιμοποιείται ήδη από εταιρείες όπως η NVIDIA, η Alibaba και η Western Digital.
Η ειρωνεία είναι ότι δεν υπάρχει τίποτα εγγενώς πρωτοποριακό για το RISC-V. Το Ίδρυμα σημειώσεις στην ιστοσελίδα του: “Το RISC-V ISA βασίζεται σε ιδέες αρχιτεκτονικής υπολογιστών που χρονολογούνται τουλάχιστον 40 χρόνια πριν.”
Αυτό που, αναμφισβήτητα, είναι πρωτοποριακό, ωστόσο, είναι το επιχειρηματικό μοντέλο —ή η έλλειψη ενός. Αυτό είναι που εκθέτει το έργο σε πειραματισμούς, ανάπτυξη και, ενδεχομένως, απεριόριστη ανάπτυξη. Ως Ίδρυμα RISC-V σημειώνει επίσης στην ιστοσελίδα της:
“Το ενδιαφέρον είναι επειδή είναι ένα κοινό ελεύθερο και ανοιχτό πρότυπο στο οποίο μπορεί να μεταφερθεί το λογισμικό και το οποίο επιτρέπει σε οποιονδήποτε να αναπτύξει ελεύθερα το δικό του υλικό για την εκτέλεση του λογισμικού.”
Σε αυτό το γράψιμο, τα τσιπ RISC-V δουλεύουν σε μεγάλο βαθμό στα παρασκήνια σε φάρμες διακομιστών και ως μικροελεγκτές. Μένει να φανεί αν υπάρχει πιθανότητα να ταρακουνήσει το δίπωλιο ARM/Intel ISA στον καταναλωτικό χώρο.
Ωστόσο, εάν οι υφιστάμενοι κάτοικοι μείνουν στάσιμοι, είναι στη σφαίρα της πιθανότητας ένα σκοτεινό άλογο να καλπάσει και να αλλάξει τα πάντα.