Dacă ești interesat de construirea unui calculator folosind principii open-source, acest lucru este realizabil în sfera software. Cu toate acestea, procesorul central al computerului rămâne un element proprietar. Aici intervine RISC-V, o arhitectură de procesor open-source care atrage rapid atenția și promite să revoluționeze industria informatică.
O alternativă la arhitecturile Intel și ARM
În prezent, piața procesoarelor este dominată de două arhitecturi principale: ARM și x86 de la Intel. Deși ambele companii au o prezență puternică pe piață, modelele lor de business diferă fundamental.
Intel proiectează și produce propriile sale cipuri, în timp ce ARM licențiază designurile sale către alte companii, cum ar fi Qualcomm și Samsung, care ulterior adaugă propriile îmbunătățiri. În timp ce Samsung dispune de infrastructura necesară pentru fabricarea propriilor procesoare, Qualcomm, alături de alți designeri „fabless”, externalizează această sarcină crucială către terți.
În cazul ARM, licențiatorii sunt adesea obligați să semneze acorduri de confidențialitate pentru a proteja detaliile de design ale cipurilor. Acest lucru este firesc, având în vedere că modelul lor de afaceri se bazează pe proprietatea intelectuală, nu pe producție.
Intel, la rândul său, își păstrează secretele de design sub cheie. Deoarece ambele tipuri de procesoare sunt comerciale, este dificil, dacă nu imposibil, pentru cercetătorii academici și dezvoltatorii open-source să influențeze designul acestora.
Cum se diferențiază RISC-V?
RISC-V adoptă o abordare radical diferită. În primul rând, nu este o companie. A fost conceput în 2010 de cadre universitare de la Universitatea din California, Berkeley ca o alternativă open-source, fără costuri de licențiere, la arhitecturile existente.
Este similar cu instalarea Linux în loc de Windows, eliminând necesitatea de a achiziționa licențe scumpe. RISC-V își propune să realizeze același lucru în domeniul cercetării și proiectării de semiconductori.
În timp ce ARM licențiază atât arhitectura setului de instrucțiuni (ISA), care definește comenzile native ale procesorului, cât și microarhitectura, care descrie modul de implementare, RISC-V oferă doar ISA. Acest lucru permite cercetătorilor și producătorilor să personalizeze modul de utilizare, făcându-l adaptabil pentru o gamă largă de dispozitive, de la cipuri de 16 biți cu consum redus de energie pentru sistemele integrate, până la procesoare de 128 de biți pentru supercomputere.
După cum sugerează și numele, RISC-V utilizează principiile arhitecturii Reduced Instruction Set Computer (RISC), la fel ca cipurile ARM, MIPS, SPARC și Power.
Ce implică acest lucru? În esență, fiecare procesor este construit în jurul unor componente numite instrucțiuni. Acestea sunt programe elementare, implementate hardware, care dictează acțiunile procesorului.
Cipurile RISC au, în general, mai puține instrucțiuni decât cipurile care folosesc un design Complex Instruction Set Computer (CISC), cum ar fi cele produse de Intel. În plus, instrucțiunile RISC sunt mai ușor de implementat hardware.
Instrucțiunile mai simple permit producătorilor de cipuri să optimizeze designul. Aici intervine compromisul: sarcinile complexe nu sunt executate direct de procesor, ci sunt divizate în mai multe instrucțiuni software mai mici.
De aici și porecla RISC: „Relegate the Important Stuff to the Compiler”. Cu toate acestea, această abordare are avantaje. Pentru a înțelege de ce, trebuie să înțelegem cum este construit un procesor.
Procesorul unui telefon sau al unui computer este compus din miliarde de tranzistoare. În cazul cipurilor CISC, multe dintre aceste tranzistoare sunt dedicate diferitelor instrucțiuni disponibile.
Cipurile RISC, datorită numărului mai mic de instrucțiuni, necesită mai puțini tranzistori. Acest lucru eliberează spațiu pentru includerea de registre cache, memorie suplimentară, funcții de procesare AI și grafică.
De asemenea, un cip RISC poate fi mai mic, datorită numărului mai mic de tranzistoare. Acesta este motivul pentru care arhitecturile RISC, precum MIPS și ARM, sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele Internet of Things (IoT).
Necesitatea de performanță
Licențierea nu este singurul motiv pentru apariția RISC-V. David Patterson, pionier în cercetarea procesoarelor RISC, a afirmat că RISC-V a fost proiectat pentru a depăși limitările de performanță ale CPU-urilor, care se apropie odată cu îmbunătățirile tehnologice.
Performanța unui procesor este direct legată de numărul de tranzistoare integrate. Producătorii de cipuri, cum ar fi TSMC și Samsung, depun eforturi considerabile pentru a miniaturiza tranzistoarele.
Primul microprocesor comercial, Intel 4004, avea doar 2.250 de tranzistoare, fiecare măsurând 10.000 de nanometri (0,01 mm). În contrast, procesorul Apple A14 Bionic, lansat 40 de ani mai târziu, integrează 11,8 miliarde de tranzistoare, fiecare măsurând 5 nanometri.
În 1965, Gordon E. Moore, cofondatorul Intel, a prezis că numărul de tranzistoare pe un cip se va dubla la fiecare doi ani. Această observație, cunoscută sub numele de Legea lui Moore, a ghidat industria semiconductorilor timp de decenii. „Complexitatea pentru costurile minime ale componentelor a crescut cu un factor de aproximativ doi pe an”, scria Moore într-un articol publicat în revista Electronics. „Pe termen scurt, ne putem aștepta ca această rată să continue, dacă nu chiar să crească. Pe termen lung, rata de creștere este ceva mai incertă, deși nu există niciun motiv să credem că nu va rămâne aproape constantă timp de cel puțin 10 ani”.
Cu toate acestea, este de așteptat ca Legea lui Moore să își piardă relevanța în acest deceniu. Producătorii de cipuri se confruntă cu dificultăți majore în menținerea tendinței de miniaturizare. Aceste dificultăți sunt atât de natură științifică, cât și economică.
Tranzistoarele mai mici sunt mai dificil și mai costisitor de fabricat. TSMC a investit peste 17 miliarde de dolari în fabrica sa de cipuri de 5 nm. Având în vedere aceste provocări, RISC-V își propune să abordeze problema performanței prin explorarea altor metode, în afara miniaturizării și creșterii numărului de tranzistoare.
Companiile adoptă deja RISC-V
Proiectul RISC-V a fost lansat în 2010, iar primul cip care a utilizat arhitectura a fost fabricat în 2011. Trei ani mai târziu, proiectul a fost făcut public, atrăgând rapid interesul comercial. Companii precum NVIDIA, Alibaba și Western Digital utilizează deja tehnologia.
Paradoxal, RISC-V nu aduce inovații majore în ceea ce privește arhitectura în sine. Fundația RISC-V menționează pe site-ul său: „RISC-V ISA se bazează pe idei de arhitectură a computerelor care datează de cel puțin 40 de ani.”
Ceea ce este cu adevărat inovator este modelul de afaceri – sau absența acestuia. Acest lucru expune proiectul la experimentare, dezvoltare și, potențial, creștere nelimitată. După cum precizează Fundația RISC-V pe site-ul său:
„Interesul constă în faptul că este un standard comun, gratuit și deschis, pe care software-ul poate fi portat și care permite oricui să-și dezvolte liber propriul hardware pentru a rula software-ul.”
În prezent, cipurile RISC-V sunt folosite în principal în servere și microcontrolere. Rămâne de văzut dacă vor putea concura cu duopolul ARM/Intel ISA pe piața de consum.
Cu toate acestea, în cazul în care aceștia stagnează, este posibil ca un nou concurent să apară și să schimbe regulile jocului.