RISC-V: Ako to firmy tlačia do budúcnosti

Kľúčové informácie

• RISC-V naberá na sile, pretože veľké spoločnosti ako Google a Qualcomm podporujú alternatívnu architektúru inštrukčnej sady, čím spochybňujú dominanciu x86 a ARM.
• RISC-V je open-source ISA navrhnutý tak, aby eliminoval licenčné poplatky. Významnú podporu už získalo viac ako 100 členov v nadácii RISC-V.
• RISE, projekt v spolupráci s RISC-V a Linux Foundation, rieši výzvu prijatia nového ISA tým, že od členov vyžaduje, aby prispeli peniazmi alebo časom inžinierstva. Zariadenia RISC-V sú už dostupné, predovšetkým vo vstavaných systémoch a na čínskom trhu.

RISC-V bol v poslednej dobe všade, pričom alternatívna architektúra inštrukčných súborov (ISA) buduje hybnú silu, aby spochybnila dominanciu x86 a ARM. To zahŕňalo niekoľko významných oznámení od Qualcomm a Google, ako aj nedávne vytvorenie tzv Projekt RISC-V Software Ecosystem s podporou všetkých od Red Hatu po Intel. Google dokonca nedávno oznámil, že natívne Podpora pre Android prichádza do RISC.

Veľké spoločnosti sa zjednocujú za RISC-V, a hoci ešte nie je jasné, či dokáže naplniť humbuk, veľa serióznych hráčov (vrátane niektorých, ktorých by ste možno nečakali) odkladajú svoje žetóny. Inštrukčné sady sa v nasledujúcom desaťročí stávajú kľúčovým bojovým priestorom pre technológie a RISC rýchlo naberá na sile.

Čo je inštrukčná sada?

Komplexný stavebný blok architektúry CPU

Skôr než sa dostaneme k RISC-V, povedzme si o inštrukčných sadách, ktoré sú jedným zo základných stavebných kameňov architektúr CPU a definujú úlohy, ktoré môže CPU vykonávať. Tieto inštrukcie siahajú od veľmi jednoduchých, ako je ADD (sčítanie hodnôt v dvoch daných registroch alebo adresách pamäte), až po zložitejšie inštrukcie na zabezpečenie alebo správu pamäte. Sada inštrukcií implementuje celý alebo časť ISA, ktorá špecifikuje rozsah inštrukcií spolu s ich očakávanými vstupmi a správaním. Bežne sa to popisuje ako počítače s redukovanými alebo komplexnými inštrukciami (RISC a CISC).

Rozdiel medzi týmito dvoma môže byť zložitý, ale môžete si myslieť, že RISC sa snaží skombinovať veľa malých pokynov veci rýchlo (zvyčajne v jednom hodinovom cykle), zatiaľ čo CISC má oveľa viac inštrukcií s väčšou funkcionalitou, ktorú si môže vyžadovať dlhšie. Typicky CPU implementujúci celý alebo časť x86 ISA (najrozšírenejšie CISC ISA) implementuje niekoľko stoviek inštrukcií, zatiaľ čo je bežné, že RISC CPU implementujú pod 100. Väčšina ISA nevyžaduje pevný počet inštrukcií v konečnej inštrukčnej sade, namiesto toho ponúka modulárny dizajn s niekoľkými rozšíreniami voliteľne implementovanými výrobcami.

Keďže inštrukčná sada zásadne definuje nástroje dostupné pre softvér, možno ju zmeniť ťažké, pretože ISA vyžadujú, aby bol všetok softvér bežiaci na počítači prebudovaný (alebo prekompilovaný) pre nový ISA. To si často vyžaduje značné úpravy každého bitu softvéru a je to nákladný a časovo náročný proces, ktorý si vyžaduje výraznú podporu vývojárov. Zmena ISA je zriedkavá práve z tohto dôvodu a existuje veľmi skutočný problém s kurčatami a vajcom v tom, ako prinútiť vývojárov, aby vytvorili svoj softvér na podporu nového ISA. Tu prichádza na rad RISC-V.

Čo je RISC-V?

ISA, ktorá neustále rastie

RISC-V je ISA prvýkrát vytvorený v Parallel Computing Laboratory v U.C. Berkeley v roku 2010. Je to bezplatný open-source ISA navrhnutý tak, aby eliminoval potrebu platiť licenčné poplatky, zvyčajne spoločnosti Intel alebo ARM. V roku 2015 RISC-V opustila laboratórium a bola spustená Nadácia RISC-V s 36 zakladajúcimi členmi. Neskôr sa z nej stala RISC-V International, ktorá v rámci novej investičnej štruktúry založenej na členstve pokračuje vo výskume a správe RISC-V dodnes. Nadácia má teraz viac ako 100 členov a neustále organizuje podujatia po celom svete na podporu rastu RISC-V.

Čo je RISE?

Spoločnosť RISE bola založená začiatkom tohto roka v spolupráci s RISC-V a Linux Foundation a už má okrem iného podporu od spoločností Intel, MediaTek, Red Hat, Qualcomm a Google. RISE sa zameriava na zlepšovanie softvérových nástrojov na podporu rastu RISC-V. Smerovanie projektu určuje technický riadiaci výbor, podobne ako pri iných projektoch Linux Foundation.

RISE priamo rieši problém s kurčatami a vajcami v súvislosti s prijatím nového ISA tým, že od svojich členov vyžaduje, aby venovali dolárové hodnoty alebo čas potrebný na inžinierstvo.

RISE priamo rieši problém sliepky a vajca v súvislosti s prijatím nového ISA tým, že od svojich členov vyžaduje, aby sa zaviazali dolárových hodnôt alebo inžinierskeho času na vývoj softvéru s otvoreným zdrojovým kódom pre RISC-V, a už sa to darí kroky. Napríklad Android už bol prerobený pre RISC-V, rovnako ako Ubuntu a niektoré ďalšie linuxové distribúcie.

Kedy by sme mohli vidieť RISC-V vo voľnej prírode?

Sú naokolo, ak viete, kde hľadať

Zariadenia RISC-V sú už dostupné, aj keď väčšinou vo vstavaných systémoch alebo v zariadeniach vyrábaných alebo zameraných na čínsky trh. Čína aj Rusko sa nedávno výrazne opreli o RISC-V ako spôsob, ako sa zbaviť závislosti od západných technológií. Na Alibaba je dostupných niekoľko notebookov založených na RISC-V a vývojové dosky RISC-V sa dostali na západný trh. Čínska firma Sipeed ponúka vývojové dosky založené na RISC-V vo formách od Steam Deck alternatívy na vreckové terminály Linux a spoločnosť Huawei vydala svoje prvé vývojové súpravy založené na RISC-V pre zariadenia IoT založené na HarmonyOS späť v roku 2021.

Podobne spoločnosť Intel prerazila v roku 2021 na dvoch nových výrobných závodoch v Arizone a oznámila, že výstavba ďalších dvoch v Ohiu sa začne v roku 2025. Intel na tom pracoval vzkriesiť svoje zlievarenské prevádzky v posledných rokoch a veľký prílev čipov RISC-V by im mohol pomôcť vyplniť objem pre tieto nové fabriky so sídlom v USA. Je to hazard, ktorý podstupuje množstvo spoločností, ktoré sa s RISC-V ponárajú na začiatku, aby nezostali pozadu a získali skúsenosti, kým RISC-V zostáva v plienkach.

Je to pripravené na veľký čas?

Ale RISC-V nie je celkom pripravený na veľký čas. Zatiaľ čo ARM môže byť drahé, jeho technológia bola dobre prepracovaná. CISC ISA si pôvodne získali popularitu, pretože umožnili prvým inžinierom jednoducho implementovať funkcie do ich CPU, ktoré sú potrebné pre zložitejšie výpočty. Za posledné desaťročie však ARMDizajny založené na RISC narástli čo do schopností a kompetencií, pričom zostávajú vo všeobecnosti energeticky efektívnejšou možnosťou.

RISC-V prirodzene kráča v stopách ARM tým, že najprv vytvára trh pre nízkoenergetické a energeticky úsporné zariadenia.

Teoreticky by procesory ARM a RISC-V mali byť schopné podobného výkonu. Softvérová podpora ARM je však už rozsiahla (s jej procesormi, na ktorých už bežia telefóny a notebooky), čo jej dáva obrovský počiatočný náskok pred akýmikoľvek novými zariadeniami RISC-V.

Tento náskok je jedným z dôvodov, prečo RISC-V (zatiaľ) nie je výzvou pre zariadenia ARM pre väčšinu spotrebiteľov, prirodzene kráča v stopách ARM tým, že vytvára trh pre nízkoenergetické a energeticky úsporné zariadenia najprv. Zameranie sa na spodnú časť trhu umožní RISC-V najprv vytvoriť základňu podpory nástrojov a vývojárov, ako aj zlepšiť svoju energetickú účinnosť na hardvérovej aj softvérovej úrovni. RISC-V International (a teda aj jej členské spoločnosti) začínajú pracovať na presune produktov do RISC-V teraz v nádeji, že s postupujúcim vývojom sa stanú výkonnejšie a energeticky efektívnejšie implementácie k dispozícii.

Intel?

Ako sme už spomenuli, dokonca aj spoločnosť Intel (vlastník ziskového x86 ISA) investuje veľké prostriedky do RISC-V. Ťažkosti Intelu pri poskytovaní energeticky účinných x86 zariadení viedli k tomu, že za posledný rok výrazne stratil na ARM desaťročí, vrátane väčšiny interného kremíka Apple zameraného na ARM a Qualcommu a Samsungu v širšom mobilnom trhu.

Potenciál RISC architektúr bol už dlho uznávaný, potenciál, ktorý bol kľúčovou hnacou silou skorého rozhodnutia Apple prijať čipy Motorola a PowerPC založené na RISC v prvých počítačoch Mac. V poslednom desaťročí však spoločnosť ARM tento potenciál uvoľnila. Intel teraz zisťuje, že stráca podiel na trhu x86 v prospech ARM aj vo svojich najdominantnejších kategóriách, pričom AWS tvrdo presadzuje nové čipy ARM na báze Graviton ako lacnejšiu alternatívu ako x86 v cloude. Intel sa sústredil na veľké investície do RISC-V a verejne sa zaviazal 1 miliarda USD na služby zlievarne, vrátane významnej investície do fab RISC-V.

Dokáže RISC-V dobehnúť?

Iba čas ukáže

Požiadavka úspechu RISC-V je jasná. Firmy nechcú pokračovať v zapĺňaní vreciek Intel/ARM svojimi licenčnými poplatkami a ARM vydláždil cestu pre čipy RISC s nízkou spotrebou tým, že konkuruje Intelu. RISC-V sa pokúsi napodobniť cestu ARM k úspechu, pričom najskôr bude súťažiť v oblasti s nižšou spotrebou energie a vo vývoji.

Toto je niečo, čo už vidíme, ako sa deje, napríklad pri oznámení spoločnosti Google a Qualcommu o a Platforma Snapdragon Wear založená na RISC-V. Je tiež jasné, že so zriadením RISE a pokračujúcimi investíciami do veľkých spoločností z oblasti OEM aj spotrebiteľov existuje podpora pre RISC-V. Či je jeho súčasná dynamika dostatočná na to, aby prekonala RISC-V cez pomalý problém, ktorý dobieha ARM, zostáva nejasné, ale existuje jasný obchodný záujem, aby RISC-V uspel. ARM len v 2. štvrťroku tohto roka vykázal rekordné príjmy vo výške viac ako 800 miliónov dolárov, ktoré v konečnom dôsledku pochádzajú z podielu na ziskoch iných spoločností. To znamená, že v minulosti došlo k neúspešným hazardným hrám, pričom PowerPC vyčnieval, takže budeme musieť zistiť, kam sa RISC-V dostane odtiaľto.