Chcete-li si sestavit počítač s otevřeným zdrojovým kódem, můžete tak učinit – pokud mluvíte o softwarové stránce věci. Nicméně procesor, který tvoří „srdce“ počítače, je obvykle proprietární. RISC-V je návrh procesoru, který je postaven na principu otevřeného zdrojového kódu, a v současnosti si získává stále větší popularitu, slibujíc výraznou proměnu celého odvětví.
Alternativa k návrhům Intel a ARM
V současnosti trhu s procesory dominují dva hlavní návrhy: procesory ARM a Intel x86. Ačkoli obě společnosti mají rozsáhlý vliv, jejich obchodní strategie se značně liší.
Společnost Intel se zabývá návrhem i výrobou vlastních čipů, zatímco ARM licencuje své návrhy externím návrhářům, jako jsou Qualcomm a Samsung. Ti pak do těchto návrhů přidávají své specifické vylepšení. Zatímco Samsung disponuje vlastní infrastrukturou pro výrobu procesorů, Qualcomm a další výrobci se spoléhají na outsourcing.
V případě ARM licenční dohody často vyžadují, aby poskytovatelé licence podepsali smlouvy o mlčenlivosti, jejichž cílem je ochrana důvěrnosti návrhu čipu. To není překvapivé, vzhledem k tomu, že obchodní model ARM je založen primárně na duševním vlastnictví, nikoli na výrobě.
Intel si také střeží svá vlastní obchodní tajemství týkající se návrhu. Oba typy procesorů jsou komerční, což ztěžuje akademické sféře a nadšencům z open-source ovlivnit jejich návrh, pokud to není rovnou nemožné.
Čím se RISC-V odlišuje?
RISC-V představuje zcela odlišný přístup. Za prvé, není to společnost. Vznikl v roce 2010 jako myšlenka akademických pracovníků z Kalifornské univerzity v Berkeley, kteří chtěli vytvořit bezplatnou open-source alternativu k již zavedeným standardům.
Je to podobné jako instalace Linuxu místo Windows, což eliminuje potřebu nákupu a souhlasu s nevýhodnými licenčními podmínkami. RISC-V usiluje o stejný princip v oblasti výzkumu a návrhu polovodičů.
ARM licencuje jak architekturu instrukční sady (ISA), což jsou základní příkazy, kterým procesor rozumí, tak mikroarchitekturu, která určuje, jak se dají tyto příkazy implementovat.
RISC-V nabízí pouze ISA, což umožňuje výzkumníkům a výrobcům rozhodnout, jak ji chtějí využít. Díky této flexibilitě je RISC-V použitelný pro široké spektrum zařízení, od 16bitových čipů s nízkou spotřebou energie pro vestavěné systémy až po 128bitové procesory pro superpočítače.
Jak název napovídá, RISC-V je založen na principech Reduced Instruction Set Computer (RISC), stejně jako čipy odvozené od ARM, MIPS, SPARC a Power.
Co to vlastně znamená? Srdcem každého procesoru jsou instrukce. Jsou to malé programy, které říkají procesoru, co má dělat.
Čipy postavené na RISC architektuře obvykle obsahují méně instrukcí než čipy s architekturou Complex Instruction Set Computer (CISC), jako jsou ty od Intelu. Instrukce v RISC architektuře jsou navíc mnohem jednodušší na implementaci v hardwaru.
Jednodušší instrukce umožňují výrobcům vytvářet efektivnější návrhy čipů. Kompromisem je, že složitější úkoly nejsou prováděny procesorem přímo, ale rozkládají se v softwaru na menší instrukce.
Proto RISC získal přezdívku „Relegate the Important Stuff to the Compiler“ (Přeneste důležité věci na překladač). Ačkoli se to může zdát jako nevýhoda, není tomu tak. Abyste to pochopili, musíte se blíže podívat na to, z čeho se skládá procesor.
Procesor v mobilu nebo počítači tvoří miliardy drobných komponent nazývaných tranzistory. V případě čipů založených na CISC architektuře mnoho z těchto tranzistorů reprezentuje dostupné instrukce.
Protože RISC čipy mají méně jednodušších instrukcí, nepotřebují tolik tranzistorů. To znamená více prostoru pro další vylepšení. Například lze přidat více registrů, mezipaměti a paměti nebo další funkce pro AI a grafické zpracování.
Díky menšímu počtu tranzistorů lze čip fyzicky zmenšit. Proto se RISC čipy od MIPS a ARM často objevují v zařízeních internetu věcí (IoT).
Potřeba rychlosti
Licence není jediným důvodem pro existenci RISC-V. David Patterson, který vedl výzkum v oblasti návrhu procesorů RISC, uvedl, že RISC-V byl navržen s ohledem na blížící se limity v oblasti výkonu CPU, které lze dosáhnout pouze zlepšováním výrobních procesů.
Čím více tranzistorů se vejde na čip, tím výkonnější procesor je. Z toho důvodu výrobci čipů, jako jsou TSMC a Samsung, kteří vyrábějí čipy pro třetí strany, se snaží zmenšovat tranzistory co nejvíce.
První komerční mikroprocesor, Intel 4004, měl jen 2 250 tranzistorů, každý o velikosti 10 000 nanometrů (asi 0,01 mm). To se nedá srovnat s procesorem Apple A14 Bionic, uvedeným na trh o 40 let později. Tento čip (používaný v novém iPadu Air) má 11,8 miliardy tranzistorů, z nichž každý je pouhých 5 nanometrů.
V roce 1965 Gordon E. Moore, spoluzakladatel Intelu, prohlásil, že počet tranzistorů na čipu se každé dva roky zdvojnásobí. Toto tvrzení se stalo známým jako Moorův zákon.
„Složitost minimálních nákladů na komponenty se zvyšovala tempem přibližně dvakrát ročně,“ napsal Moore v časopise Electronics při 35. výročí. „V krátkodobém horizontu lze očekávat, že toto tempo bude pokračovat nebo se dokonce zrychlí. V dlouhodobém horizontu je míra růstu trochu nejistější, i když není důvod se domnívat, že by nezůstala téměř konstantní po dobu alespoň 10 let.“
Očekává se, že platnost Moorova zákona skončí v tomto desetiletí. Existují také značné pochybnosti o tom, zda výrobci čipů dokážou v miniaturizaci dlouhodobě pokračovat, a to jak z vědeckého, tak i z ekonomického hlediska.
Menší tranzistory jsou totiž mnohem složitější a dražší na výrobu. Například společnost TSMC investovala přes 17 miliard dolarů do své továrny na výrobu 5nm čipů. Vzhledem k těmto omezením se RISC-V snaží řešit problém výkonu i jinými cestami než zmenšováním tranzistorů.
Společnosti již RISC-V využívají
Projekt RISC-V začal v roce 2010 a první čip s touto architekturou byl vyroben v roce 2011. O tři roky později se projekt dostal do povědomí veřejnosti a následoval komerční zájem. Mezi společnosti, které již tuto technologii využívají, patří například NVIDIA, Alibaba a Western Digital.
Ironií je, že na RISC-V není nic zásadně nového. Nadace uvádí na svých webových stránkách: „RISC-V ISA je založena na konceptech počítačové architektury starých nejméně 40 let.“
Průlomový je však obchodní model – respektive jeho absence. Právě to otevírá dveře experimentování, vývoji a neomezenému růstu. Nadace RISC-V na svých webových stránkách také uvádí:
„Zájem o RISC-V pramení z toho, že je to bezplatný a otevřený standard, který umožňuje libovolný software na něm provozovat a který umožňuje komukoli svobodně vytvářet vlastní hardware pro jeho provoz.“
V současnosti se čipy RISC-V nejčastěji využívají v serverových farmách a jako mikrokontroléry. Budoucnost ukáže, zda se RISC-V dokáže prosadit a narušit nadvládu ARM/Intel v oblasti spotřebitelské elektroniky.
Pokud by současní lídři stagnovali, je možné, že se objeví nový konkurent a vše se změní.