RISC-V най-важната технология, за която не сте чували
- RISC-V е най-важната нова архитектура с комплект от инструкции (instruction set architecture – ISA), която вероятно чувате за първи път. Не се притеснявайте. Тук ще научите:
- Какво е RISC-V?
- Защо е важна?
- В кои устройства ще видим RISC-V ISA? Компютри, смартфони, вградени устройства или други видове?
- Кой ще се възползва и кой ще загуби от тази нова RISC-V архитектура?
Има много въпроси относно тази нова технология, така че нека да започваме.
Какво е RISC-V ISA?
RISC-V (произнася се „риск файв“) е отворена стандартна архитектура с набор от инструкции (ISA), която предлага безплатна и гъвкава алтернатива на патентованите ISA като x86 и ARM. RISC е съкратено от Reduced Instruction Set Computing, което означава, че има по-малко рационализирани инструкции в сравнение с Complex Instruction Set Computing (CISC) като x86.
ISA е начинът, по който се кодира софтуерът и е на практика езикът, който процесорът разбира. Получава код от високо ниво и извежда инструкции на процесора, като преводач. Всяка инструкция е разбираема команда за процесора.
Това, което отличава архитектурата от останалите е, че никой не трябва да плаща такса, за да я използва. Това я прави е по-достъпна да започване и разработване на RISC-V хардуер и е по-евтина. Сравнете я с x86, която е собственост на Intel и само Intel и AMD могат да я използват, и ARM, която лицензира своите ISA и дизайни на процесори, ще видите, че това може да бъде много привлекателна оферта.
Кратка история
Историята на RISC-V започва през 1980 г., когато терминът RISC е въведен за първи път. RISC ISA е опростен набор от инструкции – много по-малко са от CISC (компютър със сложен набор от инструкции). Всяка от инструкциите трябва да изпълнява по-малко за цикъл на паметта на данните в сравнение с CISC.
Популярните ISA ARM и DLX са базирани на оригиналната RISC.
На тази основа ученият Кръсте Асанович от университета Бъркли в Калифорния стартира „малък летен проект“. Целта е да се създаде модерна архитектура с отворен код, която всеки по света може да използва свободно. Тази работа ражда първата версия, наречена Berkeley RISC през 2010 г. По-късно през 2014 г., 5-та версия от нея беше наречена RISC-V.
Екипът на Кръсте публикува RISC-V под BSD лиценз, заедно с няколко дизайна на CPU, които позволяват на други компании да ги използват и да създават свои собствени реализации. Третите страни могат да създават безплатни, с отворен код или затворен код. Както желаят.
Нещо важно, което трябва да споменем е, че ако дадена компания използва RISC-V за проектиране на чип, не е необходимо да публикува своя изходен код. И така, компания като ARM може да проектира процесор, да лицензира дизайна и да го продава без никакви проблеми.
Ролята на RISC-V International
За да се създаде стабилна, стандартизирана екосистема около новата ISA и да се предотврати фрагментацията, е била създадена фондацията RISC-V Foundation. Тя води и поддържа документацията. Фондацията се премества в Швейцария през 2019 г., така че няма да бъде засегната от търговското напрежение между САЩ и Китай или друг глобален конфликт. От 2020 г. е преименуван на RISC-V International.
Защо RISC-V заслужава нашето внимание?
RISC-V е променяща технология, която носи следните предимства:
• Намалена сложност – 47 базови инструкции и модулна ISA.
• Свободен дизайн – третите страни са свободни да проектират своите чипове (SoC) така, както желаят.
• Без такси за лиценз – Компаниите могат свободно да разработват процесори, което намалява разходите.
• RISC-V може да доведе до нова отворена ера на изчисленията, която ще води чип иновациите в бъдеще.
Може ли RISC-V да работи с някоя популярна операционна система?
В момента RISC-V ISA не е насочена към пазара на компютри или мобилни устройства. Днес почти всичко има чип вътре – IoT устройства, устройства за носене (wearables), автомобили, електрически уреди, машини и т.н.
Но, да, RISC-V може да работи с Linux дистрибуция. През 2021 г. имаше само две компании, които предлагаха компютърни конфигурации с RISC-V процесори. Те бяха SiFive и Andes Technology.
Сега можете да намерите SiFive HiFive Unleased, SiPeed LicheeRV, DC-ROMA RISC-V Laptop II, BeagleV, LicheePi 4A и други.
Тези устройства могат да работят с една от следните операционни системи: Ubuntu, Debian, Fedora и openSUSE. Поддръжката за Android също е налична, въпреки че все още не е перфектна.
Поддръжката на Windows 11 все още липсва, но ще се промени в бъдеще, ако архитектурата продължи да се разраства.
Има ли други дизайни на ISA?
Да, има доста дизайни на ISA:
• 6502 (8-битова)
• Z80 (8-битов)
• 68000 (32-битова)
• x86 (32-битова и 64-битова)
• Алфа (64-битова)
• MIPS (32-битова и 64-битова) – Програмата MIPS Open на Under Wave Computing е безплатна. Но изисква сертификат за съответствие.
• Itanium (64-битова)
• Мощност (32-битова и 64-битова)
• SPARC (32-битова и 64-битова) – с отворен код. Но изисква сертификат за съответствие.
• VAX (32-битова)
• ARM (32-битова и 64-битова)
Това, което можете да видите, е, че архитектурата на повечето процесори не е с отворен код, нито напълно без лицензионни възнаграждения. Няколко компании контролират интелектуалните собствености и независимо от устройството, което произвежда друга компания – компютър, таблет, мобилен телефон, IoT, wearable устройства, автомобили, електрически домакински уреди или нещо друго с чип, трябва да се плати такса.
Ето защо е много важно да разгледате тази безплатна ISA с отворен код. Тя може да намали цената на бъдещите технологични артикули и да подсили конкуренцията с иновации.
X86 ISA
Процесорите с x86 отдавна са доминиращият тип процесори за компютри. Все още, когато търсите нов компютър, клауд сървър или нает сървър, ще видите опциите на Intel или AMD и двете компании използват процесори с архитектура x86.
X86 ISA е продукт на Intel и за първи път е използван за микропроцесора 8086. През повече от 50 години, откакто е въведена, има много развитие, добавяне на нови разширения и софтуер.
В продължение на много години x86 беше основния избор за изчисляване, без да е налице някаква значителна алтернатива. Но дойде ARM.
Новата компания ARM създава и лицензира дизайни на CPU и GPU.
Тя доминира на мобилния пазар и също се насочва към пазара на персонални компютри. Има много компютри с Chrome OS, Linux компютри, Windows и дори устройства на Apple.
Apple реши да избере ARM като единствената ISA, която иска да използва в бъдеще, изоставяйки предишната x86. Това ясно показва как се променя пазарът.
ARM ISA
Архитектурата ARM е RISC архитектура, подобна на RISC-V, но не е с отворен код. Предишното ѝ име е било Advanced RISC Machines. Интелектуалната собственост е собственост на Arm Ltd.
Компанията начислява лицензионна такса за техните дизайни като A78, Mali GPU и др.
Но също така позволяват на компаниите да ги модифицират и да създават своите ядра като Apple, Microsoft, Qualcomm и т.н.
В момента, без значение дали използвате Android или iOS смартфон, имате ARM чип вътре.
Предимството, което има пред RISC-V, е, че вече е зряла платформа. Има много софтуер и нови разширения, които я правят много интересна за различните индустрии. Просто вижте операционните системи, на които може да работи: Windows 10, Ubuntu, Debian, Fedora, FreeBSD, FreeRTOS, Android, Chrome OS, Tizen, Windows 10 IoT Core и т.н.
ARM начислява лицензионни такси, така че RISC-V може да се конкурира в различен ценови сегмент, където ниската цена е по-важна от производителността.
RISC срещу CISC
Двата най-популярни типа ISA са RISC и CISC. CISC е този, който Intel и AMD използват в своите компютърни процесори, а RISC се използва за всички видове електроника и мобилни устройства.
RISC набляга на софтуера, докато CISC набляга на хардуера.
RISC използва single-clock инструкции, за разлика от multiple-clock сложни инструкции на CISC.
Регистър към регистър (register to register) „Зареждане“ (Load) и „Съхранение“ (Store) са независими инструкции спрямо памет към памет (memory to memory) „Зареждане“ (Load) и „Съхраняване“ (Store) са част от инструкциите.
Нисък брой цикли в секунда, голям размер на кода и повече необходима RAM в сравнение с малкък размер на кода, висок брой цикли в секунда с по-малко RAM.
Малък брой инструкции срещу голям брой инструкции.
Сравнителна таблица
| Характеристика | RISC (напр. RISC-V, ARM) | CISC (напр. x86) |
| Сложност на инструкциите | Прости, малко инструкции | Комплексни, много инструкции |
| Тактови цикли на инструкция | Един цикъл | Многоточкови цикли |
| Използване на паметта | Изисква повече RAM | Изисква по-малко RAM |
| Енергийна ефективност | Висока | По-ниска |
| Фокус върху производителността | Оптимизиран за ефективност | Оптимизиран за производителност |
Бъдещето на RISC-V
Основното предизвикателство пред RISC-V е фрагментацията. Ако има много различни ISA базирани на RISC-V, които са разработени от различни компании, това ще бъде огромен проблем. Ето защо фондацията RISC-V е създадена, за да ориентира проекта към правилната посока на стандартизация.
RISC-V е все още твърде нова. Това не е зряла платформа, което означава, че няма достатъчно разработчици, нито вече наличен софтуер. Да расте много бързо, но не си е гарантирала мястото си на пазара на чипове в дългосрочен план.
Това, което можем да очакваме в близко бъдеще (2026-2027 г.), е да видим RISC-V в масовата потребителска електроника. Можем да видим продукти от компании като Qualcomm, Alibaba и Samsung, като лаптопи, таблети, телевизори, IoT и wearable устройства с RISC-V чипове.
RISC-V има огромна възможност в Китай. Поради търговската война между САЩ и Китай, може да се стигне до ARM срещу RISC-V война. САЩ могат да контролират всички американски компании, включително Nvidia, която е на път да придобие ARM. Ако това се случи, Китай може да възприеме RISC-V като единствения им избор на действие.
Въз основа на данни от 2020 г. 23% от проектите на ASIC и FPGA включват поне един RISC-V процесор. Можете да очаквате този брой да нарасне още повече и да има процесори RISC-V в дата центрове, мобилни телефони, автомобили, потребителска електроника, IoT устройства и памети.
Интересно е да се види кога RISC-V ще се разшири във високопроизводителни изчисления (HPC) и изкуствен интелект. Да, производителността все още изостава, но можем да видим персонализирани ускорители, съобразени със специфични натоварвания, които могат да осигурят добри резултати.
Заключение
RISC-V се разраства бързо и ще бъде една от най-значимите технологии в близко бъдеще. Къде точно ще завърши, все още не е ясно да се види. Предимството на безплатната ISA е голямо, но фактът, че процесорите все още изостават от ARM по отношение на производителността, е важен. Да, ARM струва пари, но също така има голяма производителност. Просто вижте колко добри са чиповете Apple Silicon.
И все пак, най-вероятно ще видим много устройства с всякакъв размер с RISC-V чип вътре. Това може да се случи, без дори да разберете.