Pokud chcete sestavit počítač s otevřeným zdrojovým kódem, můžete – pokud mluvíte o softwaru. Procesor pod kapotou je však proprietární. RISC-V je design procesoru s otevřeným zdrojovým kódem, který se rychle prosazuje a slibuje změnu počítačového prostředí.
Table of Contents
Alternativa k návrhům Intel a ARM
V současné době vládnou dva návrhy procesorů: ty vytvořené ARM a Intel x86. Zatímco obě společnosti působí v obrovském měřítku, jejich obchodní modely se zásadně liší.
Intel navrhuje a vyrábí své vlastní čipy, zatímco ARM licencuje své návrhy návrhářům třetích stran, jako jsou Qualcomm a Samsung, kteří pak přidávají svá vlastní vylepšení. Zatímco Samsung má infrastrukturu pro výrobu svých procesorů interně, Qualcomm (a další „bájní“ návrháři) zadává tuto důležitou práci třetím stranám.
V případě ARM to také často vyžaduje, aby poskytovatelé licencí podepsali dohody o mlčenlivosti, jejichž cílem je zachovat soukromí návrhu čipu. To není překvapivé, vezmeme-li v úvahu, že celý její obchodní model není utvářen kolem výroby, ale spíše duševního vlastnictví.
Mezitím má Intel pod zámkem svá vlastní tajemství komerčního designu. Vzhledem k tomu, že oba typy procesorů jsou komerční, je pro akademiky a open-source hackery těžké (ne-li zcela nemožné) ovlivnit návrh.
Jak se RISC-V liší
RISC-V je naprosto odlišný. Za prvé to není společnost. Poprvé byl koncipován v roce 2010 akademiky Kalifornská univerzita v Berkeley jako open-source bezplatná alternativa ke stávajícím zavedeným operátorům.
Je to podobné jako instalace Linuxu místo Windows, takže nemusíte nic kupovat ani souhlasit s žádnými nevýhodnými licenčními smlouvami. RISV-V si klade za cíl udělat totéž pro výzkum a design polovodičů.
ARM také licencuje jak architekturu instrukční sady (ISA), která odkazuje na příkazy, kterým může procesor nativně porozumět, tak mikroarchitekturu, která ukazuje, jak ji lze implementovat.
RISC-V pouze nabízí ISA a umožňuje výzkumníkům a výrobcům definovat, jak jej skutečně chtějí používat. Díky tomu je škálovatelný pro zařízení všech kategorií, od 16bitových čipů s nízkou spotřebou pro vestavěné systémy až po 128bitové procesory pro superpočítače.
Jak název napovídá, RISC-V využívá principy počítače se sníženou instrukční sadou (RISC), stejně jako čipy založené na ARM, MIPS, SPARC a Power designech.
Co to znamená? V srdci každého počítačového procesoru jsou věci zvané instrukce. V nejzákladnějších pojmech se jedná o malé programy zastoupené v hardwaru, které říkají procesoru, co má dělat.
Čipy založené na RISC mají obvykle méně instrukcí než čipy využívající návrh počítače s komplexní instrukční sadou (CISC), jako jsou ty, které nabízí Intel. Samotné instrukce jsou navíc mnohem jednodušší na implementaci do hardwaru.
Jednodušší pokyny znamenají, že výrobci čipů mohou být se svými návrhy čipů mnohem efektivnější. Kompromisem je, že tyto relativně složité úkoly neprovádí procesor. Místo toho jsou softwarově rozděleny do několika menších instrukcí.
Díky tomu si RISC vysloužil přezdívku Relegate the Important Stuff to the Compiler. I když to zní jako špatná věc, není. Abyste tomu porozuměli, musíte nejprve pochopit, co to vlastně počítačový procesor je.
Procesor ve vašem telefonu nebo počítači se skládá z miliard drobných součástek zvaných tranzistory. V případě čipů založených na CISC mnoho z těchto tranzistorů představuje různé dostupné instrukce.
Protože RISC čipy mají méně, jednodušších instrukcí, nepotřebujete mnoho tranzistorů. To znamená, že máte více prostoru pro spoustu zajímavých věcí. Můžete například zahrnout více registrů mezipaměti a paměti nebo další funkce pro AI a zpracování grafiky.
Čip můžete také fyzicky zmenšit použitím menšího počtu tranzistorů. To je důvod, proč se čipy založené na RISC od MIPS a ARM často nacházejí v zařízeních internetu věcí (IoT).
Need for Speed
Licence samozřejmě není jediným důvodem pro RISC-V. David Patterson, který vedl první výzkumné projekty v oblasti návrhu procesorů RISC, řekl, že RISC-V byl navržený tak, aby řešil blížící se limity výkonu CPU které lze získat vylepšením výroby.
Čím více tranzistorů se vám vejde na čip, tím schopnějším se nakonec stane procesor. V důsledku toho výrobci čipů jako TSMC a Samsung (které oba vyrábějí procesory jménem třetích stran) tvrdě pracují na ještě větším zmenšení velikosti tranzistorů.
První komerční mikroprocesor, Intel 4004, měl pouhých 2 250 tranzistorů, z nichž každý měří 10 000 nanometrů (asi 0,01 mm). Malý, jistě, ale na rozdíl od procesoru Apple A14 Bionic, který byl uveden na trh o 40 let později. Tento čip (který pohání nový iPad Air) má 11,8 miliardy tranzistorů, z nichž každý měří 5 nanometrů.
V roce 1965 Gordon E. Moore, spoluzakladatel Intelu, vyslovil teorii, že počet tranzistorů, které lze umístit na čip, se každé dva roky zdvojnásobí.
„Složitost minimálních nákladů na součástky se zvyšovala rychlostí zhruba dvakrát ročně,“ napsal Moore ve vydání časopisu Electronics k 35. výročí. „Z krátkodobého hlediska lze samozřejmě očekávat, že toto tempo bude pokračovat, ne-li se bude zvyšovat. Z dlouhodobého hlediska je míra nárůstu o něco nejistější, i když není důvod se domnívat, že nezůstane téměř konstantní po dobu alespoň 10 let.
Očekává se, že Moorův zákon přestane v tomto desetiletí platit. Existují také značné pochybnosti o tom, zda výrobci čipů mohou v tomto trendu miniaturizace dlouhodobě pokračovat. To platí jak na základní vědecké úrovni, tak na ekonomické.
Menší tranzistory jsou koneckonců mnohem složitější a dražší na výrobu. Například společnost TSMC utratila přes 17 miliard dolarů za svou továrnu na výrobu 5 nm čipů. Vzhledem k této cihlové zdi se Risk-V snaží vyřešit problém výkonu tím, že se kromě zmenšení velikosti a počtu tranzistorů podívá na způsoby.
Společnosti již používají RISC-V
Projekt RISC-V odstartoval v roce 2010 a první čip využívající ISA byl vyroben v roce 2011. O tři roky později se projekt dostal na veřejnost a brzy následoval komerční zájem. Tuto technologii již využívají společnosti jako NVIDIA, Alibaba a Western Digital.
Ironií je, že na RISC-V není nic převratného. Nadace poznámky na své webové stránce: „RISC-V ISA je založen na myšlenkách počítačové architektury, které se datují nejméně 40 let.“
Co je však pravděpodobně přelomové, je obchodní model – nebo jeho absence. To je to, co vystavuje projekt experimentům, vývoji a potenciálně neomezenému růstu. Jako nadace RISC-V také poznámky na svých webových stránkách:
„Zájem je, protože jde o běžný bezplatný a otevřený standard, na který lze software přenést a který umožňuje komukoli svobodně vyvíjet vlastní hardware pro provozování softwaru.“
Při tomto psaní čipy RISC-V z velké části pracují v zákulisí na serverových farmách a jako mikrokontroléry. Zbývá zjistit, zda existuje nějaký potenciál otřást duopolem ARM/Intel ISA ve spotřebitelském prostoru.
Pokud by však stávající provozovatelé stagnovali, je v rámci možností, že by do nich mohl přicválat černý kůň a vše změnit.