Als je een open-sourcecomputer wilt bouwen, kan dat – als je het over software hebt. De processor onder de motorkap is echter eigendom. RISC-V is een open-source processorontwerp dat snel aan populariteit wint en belooft het computerlandschap te veranderen.
Een alternatief voor Intel- en ARM-ontwerpen
Momenteel zijn er twee processorontwerpen die oppermachtig zijn: die gemaakt door ARM en Intel’s x86. Hoewel beide bedrijven op een enorme schaal opereren, zijn hun bedrijfsmodellen fundamenteel anders.
Intel ontwerpt en produceert zijn eigen chips, terwijl ARM zijn ontwerpen in licentie geeft aan externe ontwerpers, zoals Qualcomm en Samsung, die vervolgens hun eigen verbeteringen toevoegen. Terwijl Samsung de infrastructuur heeft om zijn processors in eigen huis te fabriceren, besteedt Qualcomm (en andere “fabless” ontwerpers) dit belangrijke werk uit aan derden.
In het geval van ARM vereist dit ook vaak dat licentiegevers geheimhoudingsovereenkomsten ondertekenen die bedoeld zijn om aspecten van het ontwerp van een chip privé te houden. Dat is niet verwonderlijk, aangezien het hele bedrijfsmodel niet is gevormd rond productie, maar eerder op intellectueel eigendom.
Ondertussen heeft Intel zijn eigen commerciële ontwerpgeheimen achter slot en grendel. Omdat beide processortypes commercieel zijn, is het moeilijk (zo niet helemaal onmogelijk) voor academici en open-source hackers om het ontwerp te beïnvloeden.
Hoe RISC-V anders is
RISC-V is totaal anders. Ten eerste is het geen bedrijf. Het werd voor het eerst bedacht in 2010 door academici van de University of California in Berkeley als een open-source, royaltyvrij alternatief voor de bestaande gevestigde exploitanten.
Het is vergelijkbaar met het installeren van Linux in plaats van Windows, dus u hoeft niets te kopen of akkoord te gaan met bezwarende licentieovereenkomsten. RISV-V streeft ernaar hetzelfde te doen voor halfgeleideronderzoek en -ontwerp.
ARM geeft ook licenties voor zowel de instructiesetarchitectuur (ISA), die verwijst naar de opdrachten die native kunnen worden begrepen door een processor, als de microarchitectuur, die laat zien hoe deze kan worden geïmplementeerd.
RISC-V biedt slechts de ISA aan, zodat onderzoekers en fabrikanten kunnen bepalen hoe ze deze daadwerkelijk willen gebruiken. Dit maakt het schaalbaar voor apparaten van alle niveaus, van 16-bits chips met laag vermogen voor embedded systemen tot 128-bits processors voor supercomputers.
Zoals de naam doet vermoeden, gebruikt RISC-V de principes van gereduceerde instructieset-computers (RISC), hetzelfde als chips op basis van ARM-, MIPS-, SPARC- en Power-ontwerpen.
Wat betekent dit? Welnu, in het hart van elke computerprocessor zijn er dingen die instructies worden genoemd. In de meest elementaire termen zijn dit kleine programma’s die in hardware worden weergegeven en die de processor vertellen wat hij moet doen.
RISC-gebaseerde chips hebben doorgaans minder instructies dan chips met een complex instruction set computer (CISC) -ontwerp, zoals die worden aangeboden door Intel. Bovendien zijn de instructies zelf veel eenvoudiger te implementeren in de hardware.
Dankzij eenvoudigere instructies kunnen chipfabrikanten veel efficiënter zijn met hun chipontwerpen. De afweging is dat deze relatief complexe taken niet door de processor worden uitgevoerd. In plaats daarvan worden ze door software onderverdeeld in meerdere, kleinere instructies.
Als resultaat heeft RISC de bijnaam Relegate the Important Stuff to the Compiler verdiend. Hoewel dat klinkt als een slechte zaak, is het dat niet. Om het te begrijpen, moet u echter eerst begrijpen wat een computerprocessor eigenlijk is.
De processor in je telefoon of computer bestaat uit miljarden kleine componenten die transistors worden genoemd. In het geval van op CISC gebaseerde chips vertegenwoordigen veel van deze transistors de verschillende beschikbare instructies.
Omdat RISC-chips minder, eenvoudigere instructies hebben, heb je niet veel transistors nodig. Hierdoor heb je meer ruimte om veel interessante dingen te doen. U kunt bijvoorbeeld meer cache- en geheugenregisters opnemen, of extra functionaliteit voor AI en grafische verwerking.
U kunt de chip ook fysiek kleiner maken door minder totale transistors te gebruiken. Dit is de reden waarom op RISC gebaseerde chips van MIPS en ARM vaak worden aangetroffen in Internet of Things (IoT) -apparaten.
De behoefte aan snelheid
Licenties zijn natuurlijk niet de enige grondgedachte voor RISC-V. David Patterson, die de eerste onderzoeksprojecten naar het ontwerp van RISC-processors leidde, zei dat RISC-V is ontworpen om de dreigende limieten op de CPU-prestaties aan te pakken die kunnen worden behaald door productieverbeteringen.
Hoe meer transistors er op een chip passen, hoe beter een processor uiteindelijk wordt. Als gevolg hiervan werken chipfabrikanten zoals TSMC en Samsung (die beide processors produceren in opdracht van derden) hard om de omvang van transistors nog verder te verkleinen.
De eerste commerciële microprocessor, de Intel 4004, had slechts 2.250 transistors van elk 10.000 nanometer (ongeveer 0,01 mm). Klein, zeker, maar in tegenstelling tot de A14 Bionic-processor van Apple, die 40 jaar later werd uitgebracht. Die chip (die de nieuwe iPad Air aandrijft) heeft 11,8 miljard transistors van elk 5 nanometer groot.
In 1965 theoretiseerde Gordon E. Moore, de medeoprichter van Intel, dat het aantal transistors dat op een chip kan worden geplaatst elke twee jaar zou verdubbelen.
“De complexiteit van minimale componentkosten is toegenomen met een snelheid van ongeveer een factor twee per jaar”, schreef Moore in het 35-jarig jubileumnummer van Elektronica tijdschrift. “Zeker, op korte termijn kan verwacht worden dat dit percentage aanhoudt, zo niet zal stijgen. Op de langere termijn is het stijgingspercentage wat onzekerder, hoewel er geen reden is om aan te nemen dat het niet vrijwel constant zal blijven gedurende ten minste 10 jaar. “
De wet van Moore zal naar verwachting dit decennium niet meer van toepassing zijn. Er bestaat ook aanzienlijke twijfel of chipfabrikanten deze trend naar miniaturisatie op lange termijn kunnen voortzetten. Dit geldt zowel op wetenschappelijk basisniveau als op economisch niveau.
Kleinere transistors zijn tenslotte veel gecompliceerder en duurder om te vervaardigen. TSMC heeft bijvoorbeeld meer dan $ 17 miljard in zijn fabriek uitgegeven voor het maken van 5 nm-chips. Gezien deze bakstenen muur wil Risk-V het prestatieprobleem aanpakken door te kijken naar manieren naast het verkleinen van de grootte en het aantal transistors.
Bedrijven maken al gebruik van RISC-V
Het RISC-V-project ging van start in 2010 en de eerste chip die de ISA gebruikte, werd in 2011 vervaardigd. Drie jaar later werd het project openbaar en al snel volgde commerciële belangstelling. De technologie wordt al gebruikt door bedrijven als NVIDIA, Alibaba en Western Digital.
De ironie is dat er niets inherent baanbrekends is aan RISC-V. De Stichting merkt op haar webpagina op: “De RISC-V ISA is gebaseerd op computerarchitectuurideeën die minstens 40 jaar oud zijn.”
Wat misschien wel baanbrekend is, is het bedrijfsmodel – of het ontbreken daarvan. Dit stelt het project bloot aan experimenten, ontwikkeling en mogelijk onbelemmerde groei. Zoals de RISC-V Foundation ook opmerkt op haar website:
“Het belang is omdat het een gemeenschappelijke gratis en open standaard is waarnaar software kan worden geport, en waarmee iedereen vrij zijn eigen hardware kan ontwikkelen om de software uit te voeren.”
Bij dit schrijven zwoegen RISC-V-chips grotendeels achter de schermen in serverfarms en als microcontrollers. Het valt nog te bezien of er enig potentieel is om het ARM / Intel ISA-duopolie in de consumentenruimte op te schudden.
Mochten de gevestigde exploitanten echter stagneren, dan ligt het binnen het bereik van de mogelijkheid dat een donker paard naar binnen kan galopperen en alles kan veranderen.
