Spis treści:
V dnešním dynamickém a neustále se vyvíjejícím světě technologií hraje architektura procesoru klíčovou roli. Je základem každého elektronického zařízení a umožňuje nám používat pokročilé aplikace, provádět složité výpočty a komunikovat s digitálním prostředím. Trh s procesory byl po mnoho let ovládán technologickými velmocemi, a to x86 a ARM. Tyto architektury se díky svým jedinečným vlastnostem staly základem dnešního trhu, takže procesory s těmito typy jader dnes najdeme ve většině zařízení. Přesto se tématu architektury s větším či menším úspěchem chopili další výrobci, kteří se snaží zaujmout konstruktéry elektronických zařízení vlastním rozvojem tohoto tématu.
Příkladem koncepce, které se podařilo proniknout na spotřebitelský trh, je RISC-V. Architektura se vyznačuje především otevřeností a flexibilitou. Rostoucí vliv RISC-V představuje nejen potenciální výzvu pro dominantní hráče na trhu, ale stává se také symbolem snahy o demokratizaci a otevřenost technologií. V tomto článku se blíže podíváme na architekturu RISC-V: její původ, jedinečné vlastnosti a výhody, které přitahují pozornost firem, výzkumníků a technologických nadšenců z celého světa.
Dvojvládí v oblasti architektury
Trh s architekturou procesorů v průběhu let ovládly dvě mocné síly: ARM a x86. Architektura ARM, založená na instrukční sadě RISC (Reduced Instruction Set Computer), se stala předním výrobcem mobilních zařízení a vestavěných systémů. Díky nízké spotřebě energie a účinnosti se používá v smartphonech, tabletech a stále rostoucím počtu zařízení internetu věcí. Na druhé straně architektura x86, využívající instrukce CISC (Complex Instruction Set Computer), si zajistila dominantní postavení v oblasti osobních počítačů a serverů. Jeho výpočetní výkon a schopnost zvládat nejrůznější úlohy přispěly k širokému uznání v prostředích náročných na výkon.
Čipy založené na jádrech ARM stanovily standard energetické účinnosti, takže jsou ideální volbou pro přenosná zařízení, kde je důležitá dlouhá výdrž baterie. Mnoho let vývoje a četné iterace umožnily společnosti Arm vytvořit jedinečný ekosystém, který podporuje jak malé mikrokontroléry, tak vysoce výkonné procesory pro superpočítače. Na druhou stranu si architektura x86 získala oblibu jako volba pro osobní počítače a servery a nabízí bohaté funkce a možnosti rozšíření. Jeho složitá struktura mu umožňuje efektivně vykonávat různé úkoly, což však může vést k vyšší spotřebě energie.
Obě architektury nejsou bez vady. Přestože ARM dominuje v oblasti přenosných zařízení, může se potýkat s omezeními v oblasti výkonu, zejména v aplikacích náročných na výpočetní výkon. Naproti tomu x86 je sice univerzální a výkonný, ale pro některé aplikace může být příliš složitý, což představuje problém z hlediska složitosti procesu návrhu a následných výrobních nákladů hotových zařízení.
S tím, jak se mění technologické prostředí, vzniká prostor pro nové iniciativy, jako je architektura RISC-V, která se snaží překonat omezení dominantních hráčů. To dává naději na nové příležitosti v architektuře procesorů, proměňuje trh a otevírá dveře novým obzorům inovací.
Historický přehled RISC-V
Na počátku 80. let 20. století. začala prosazovat myšlenka procesorů založených na architektuře RISC. To znamenalo systémy s maximálně sníženým počtem spustitelných instrukcí. V té době byly v prodejnách představeny první čipy ARM a RISC-I a RISC-II. V následujících letech se objevily také koncepty RISC-III a RISC-IV, které se vlastně vztahovaly k projektům SOAR a SPUR. Dnešní protagonista, RISC-V, má s architekturami zmíněnými před chvílí kromě názvu jen málo společného. Jedinou podobností může být to, že všechny tyto projekty byly založeny na modelu RISC.
Architektura RISC-V je poměrně mladý koncept, protože práce na ní začaly v roce 2010 na Kalifornské univerzitě v Berkeley pod vedením Davida Pattersona. Projekt byl financován společností Microsoft a, což je zajímavé, také společností Intel a výsledkem výzkumné práce byl v následujícím roce první čip založený na RISC-V.
Příběh se zrychluje v roce 2014, kdy profesor Krste Asanović a Petterson publikují článek, ve kterém tvrdí, že budoucnost patří procesorům se zjednodušeným seznamem instrukcí šířeným na bázi open source. Publikace měla v technologickém světě značný ohlas a následovalo založení nadace RISC-V , později přejmenované na RISC-V International, 36 společnostmi včetně Nvidie, Googlu, IBM a Qualcommu.
Zdarma? To je spravedlivá cena
Architektura RISC-V je dobrým příkladem modelu open source. To znamená, že tyto typy jader může do jakéhokoli návrhu implementovat v podstatě kdokoli. Jinými slovy, zdrojové kódy a dokumentace RISC-V jsou veřejně dostupné, což umožňuje navrhovat procesory optimalizované pro konkrétní aplikace. Otevřenost také podporuje spolupráci, na dalších vylepšeních architektury mohou pracovat všichni vývojáři, mohou hlásit chyby a společně je opravovat, což přispívá k neustálému vývoji a zlepšování projektu.
Za zmínku stojí také to, že architektura Open RISC-V umožňuje menším společnostem a začínajícím firmám vstoupit na trh s procesory, což by dříve mohlo být obtížné kvůli licenčním a nákladovým omezením. Tím vzniká rozmanitější nabídka konkurenčních produktů.
Vlastnosti RISC-V
Procesory RISC-V se stejně jako ostatní výpočetní čipy vyznačují řadou vlastností, které z nich činí zajímavou a inovativní alternativu ve světě procesorové architektury. Jednou z klíčových vlastností je jejich výše zmíněná otevřená forma. Tento typ jádra se navíc vyznačuje modularitou. Tato architektura umožňuje vytvářet vlastní instrukční sady, což dává návrhářům možnost přizpůsobit procesor konkrétní aplikaci. To znamená, že nemusíte “platit” za pokyny, které nepoužíváte, což se projeví v úspoře zdrojů a zvýšení efektivity.
Dalším charakteristickým znakem RISC-V je jednoduchost instrukcí. Díky zaměření na malý počet jednoduchých příkazů umožňují procesory RISC-V rychlé dekódování a provádění následných instrukcí, což vede k velmi dobrému výkonu.
Procesory RISC-V také podporují moderní technologie, jako je instrukční sada SIMD a pokročilé mechanismy ochrany paměti. Stojí za zmínku, že RISC-V není model omezený na konkrétní oblast použití – od mikrokontrolérů po superpočítače lze tuto architekturu použít v široké škále aplikací.
Stručně řečeno, procesory RISC-V se vyznačují otevřeností, modularitou, jednoduchostí a všestranností. Díky těmto vlastnostem architektura nejen přitahuje pozornost inženýrů a konstruktérů, ale také otevírá dveře novým možnostem a inovacím v oblasti procesorů.
Současné použití RISC-V
Přestože jsou čipy RISC-V poměrně mladé konstrukce, existují již zajímavé a používané procesory, které lze uvést.
- SiFive U54-MC Coreplex – Jedná se o 64bitový procesor RISC-V určený pro použití ve vysoce výkonných aplikacích, jako je například cloud computing. Podporuje rozšíření umožňující provádění instrukcí celočíselného násobení a dělení a pracuje na frekvenci 1,5 GHz.
- Nvidia Grace – 64bitový procesor RISC-V, který se používá v datových centrech a vysoce výkonných výpočetních aplikacích. Tento systém podporuje operace s pohyblivou řádovou čárkou v jednoduché přesnosti a pravděpodobně bude používán v budoucích superpočítačích.
- Western Digital SweRV Core – je 32bitový čip RISC-V, určený pro použití ve vestavěných aplikacích a aplikacích internetu věcí, optimalizovaný z hlediska spotřeby energie.
Budoucnost a ambice RISC-V
Již nyní lze říci, že čipy architektury RISC-V byly úspěšné, protože se jim podařilo proniknout do hlavního proudu a existovat vedle procesorů x86 a ARM. S názory, že RISC-V brzy zcela ovládne trh s procesory, bych však byl opatrný. Tyto typy jader jsou zajímavou alternativou, zejména k čipům ARM, a v budoucnu mohou převzít část spotřebitelského trhu, ale je třeba si uvědomit, že ARM může mezitím obsadit velkou část oblasti, kterou v současnosti okupuje x86, tedy domácí počítače.
Podle mého názoru může RISC-V existovat hned vedle ARM a x86 a čipy založené na této architektuře lze úspěšně používat v mnoha vestavných systémech a zařízeních IoT.
Společnost RISC-V International hledí do budoucnosti s optimismem. Na konci roku 2020 oznámili, že do roku 2025 by mělo být na trhu téměř 80 milionů čipů RISC-V, což by znamenalo 14% podíl na trhu. Tato vize je ambiciózní a pravděpodobně bude fungovat, protože segment procesorové architektury, kterému dominují dva velcí hráči, potřeboval něco otevřeného a “zdarma”, co by mohly používat malé společnosti a začínající podniky. Přesto je ještě příliš brzy na to, abychom RISC-V předpovídali budoucnost jako významnému hráči na trhu, i když budoucnost samozřejmě vypadá pestře.
Na závěr bych se rád podělil o své osobní obavy ohledně budoucnosti architektury RISC-V. Původně se předpokládalo, že tento typ čipů bude kompatibilní, tj. aplikace připravená pro jeden čip RISC-V by měla bez problémů běžet na jiném procesoru založeném na tomto modelu. Zpočátku tomu tak bylo, ale s rostoucí oblibou jader RISC-V se začaly objevovat další a další procesory, které, jak se ukázalo, byly softwarově nekompatibilní za sebou. Důvodem tohoto stavu věcí je jedna z hlavních výhod RISC-V, totiž otevřenost a distribuce na základě open source zásad. V budoucnu, až bude jader RISC-V ještě více, by to mohl být docela problém. Kolokviálně řečeno – každý bude dělat, co se mu líbí, a výsledkem toho bude spousta nekompatibilních čipů s tím samým logem. Jinými slovy, zcela chybí standardizace, což může návrháře hardwaru odradit od používání jader RISC-V. V současné době se zdá, že RISC-V International nemá v plánu “uklízet”, možná čeká, až se na trhu objeví jeden větší výrobce procesorů s tímto jádrem, jehož produkty se po čase stanou průmyslovým standardem a na zbývající nekompatibilní návrhy se přirozeně zapomene, ale co přinese budoucnost, ukáže čas.
Zdroje:
https://www.xda-developers.com/risc-v/
https://www.digitaltrends.com/computing/what-is-risc-v/
https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2014/EECS-2014-146.pdf
https://medium.com/@sharjeelimtiazprof/risc-v-history-introduction-60642a685fdd
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introductions-to-risc-v-instruction-set-understanding-this-open-instruction-set-architecture/
https://www.elprocus.com/risc-v-processor/
https://five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/history.html
https://www.microcontrollertips.com/risc-v-vs-arm-vs-x86-whats-the-difference/
https://www.makeuseof.com/risc-vs-arm-what-is-the-difference/
https://www.hpcwire.com/2022/11/18/risc-v-is-far-from-being-an-alternative-to-x86-and-arm-in-hpc/
https://en.wikipedia.org/wiki/RISC-V
