RISC-V apre la strada alla progettazione del processore

Oggi, se vuoi costruire un dispositivo informatico ad alte prestazioni, puoi quasi sicuramente trovare tutto il software di cui hai bisogno in forma gratuita e aperta. Lo stesso non vale per i chip del processore che eseguono quel software gratuito: qualunque cosa tu scelga, una parte di ciò che pagherai andrà su licenze hardware proprietarie a Intel, ARM o ai loro amici.

RISC-V, pronunciato "Risk-Five", è una nuova architettura disponibile con licenze aperte, gratuite e non restrittive. Gode ​​di un ampio supporto industriale da parte dei produttori di chip e dispositivi ed è progettato per essere liberamente estensibile e personalizzabile per adattarsi a qualsiasi nicchia di mercato. Per avere successo, tuttavia, deve essere performante sia dal punto di vista tecnico che economico da progettare, verificare e programmare. Ha sostenitori entusiasti, ma ha anche un’enorme concorrenza che da decenni si annida nel cuore stesso dell’IT.

RISC nella storia

Una delle verità fondamentali dell'informatica, rivelata per la prima volta da Alan Turing, è che teoricamente qualsiasi computer può affrontare qualsiasi problema. Un altro è che se puoi farlo tramite hardware, puoi farlo anche tramite software, e viceversa. I sistemi del mondo reale, tuttavia, sono vincolati dalla velocità, dall’efficienza e dalle risorse. Architetture di processori diverse comportano compromessi diversi.

Negli anni '80 ci fu una battaglia tra chip con più unità hardware speciali per far fronte a situazioni particolari: CISC, o Complex Instruction Set Computing, e quelli che mantenevano l'hardware semplice, veloce e generico, lasciando le complessità al software.

Questo approccio, chiamato ISC ridotto o RISC, all'inizio sembrò perdere, quando Intel raggiunse lo status di signore supremo con i suoi chip CISC x86. Chip RISC, come quelli di Sun Microsystem SPARC e IBM PowerPC, ha avuto alti e bassi ma non ha mai superato Intel, che era in simbiosi con Windows, fortemente incentrato su Intel, di Microsoft. Sotto il cofano, però, i chip Intel erano notevolmente simili a RISC, con le funzionalità CISC tradotte internamente in istruzioni RISC. Il mercato della telefonia mobile, che si è evoluto indipendentemente da Windows, si è presto stabilizzato BRACCIO chip, che utilizzavano il design RISC per essere molto più efficienti dal punto di vista energetico. Si può dire che RISC abbia vinto la causa su tutta la linea.

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Per i progettisti hardware del 21° secolo, tuttavia, sia i chip x86 che quelli ARM presentano un grosso svantaggio: il costo. Quel costo non riguarda solo il silicio, ma anche la proprietà intellettuale, principalmente i brevetti le aziende detengono e fanno pagare per ARM attraverso la concessione di licenze a migliaia di partner, Intel esistendo in un difficile duopolio con AMD.

RISC-V mira a spezzare il controllo proprietario sulla progettazione del processore esattamente nello stesso modo in cui il software open source ha liberato ampie fasce del settore.

RISC-V tecnico

RISC-V è un'architettura RISC classica ricostruita per i tempi moderni e prende il nome come la quinta principale architettura RISC proveniente dall'Università della California, Berkeley.

Al centro c'è una serie di 32 registri contenenti lo stato di funzionamento del processore, i dati su cui si opera immediatamente e le informazioni di gestione. Questo array è sufficientemente grande da ridurre al minimo la necessità di accedere alla memoria esterna per molte attività di base della CPU, riducendo il consumo di energia e aumentando la velocità. RISC-V è disponibile nelle varianti a 32 e 64 bit, con la dimensione del registro che cambia per corrispondere. È in corso una versione a 128 bit.

Il set di istruzioni (i comandi di basso livello che il processore può interpretare direttamente) è molto semplice e molto modulare. Un core RISC-V può essere costruito con semplici istruzioni intere, senza nemmeno moltiplicarle o dividerle. Oppure può avere estensioni in virgola mobile aggiunte (con altri 32 registri) e istruzioni compresse.

La compressione è una parte fondamentale di RISC-V. Il concetto originale di RISC ha raggiunto la velocità grazie alla codifica delle istruzioni in un formato molto semplice e veloce da decodificare ed eseguire per l'hardware: nessun caso speciale, tutto rientra in un unico dispositivo struttura. Ciò, tuttavia, può essere molto inefficiente nell'utilizzo della memoria poiché il modello di istruzioni deve soddisfare tutte le possibilità, indipendentemente dal fatto che una particolare operazione le richieda o meno.

La compressione infrange questa regola e consente al compilatore di inserire molte più istruzioni in una determinata area di memoria. Le istruzioni hanno una lunghezza variabile, come in x86 CISC. A differenza di x86, tuttavia, che è stato creato frammentariamente nel corso di molti anni, gli schemi a lunghezza variabile RISC-V sono progettati fin dall'inizio per fornire la massima hardware del processore nel modo più semplice possibile per sapere quanto durano e consentirgli di decodificarli rapidamente mentre gestisce le sue istruzioni interne code. La gestione delle code è il punto in cui la maggior parte delle architetture di processori moderne ottengono la loro velocità.

La specifica RISC-V principale è certificata come priva di vincoli di brevetto ed è concessa in licenza con Creative Commons CC BY 4.0. Ciò non richiede né significa che le estensioni debbano essere altrettanto libere e aperte: i designer possono includere aspetti concessi in licenza nelle loro aggiunte, se lo desiderano. Il punto chiave è che l’architettura sia estensibile senza perdere in efficienza.

Aspetti pratici di RISC-V

La RISC-V Foundation conta più di 200 membri, tra cui Samsung, Google, Nvidia, Western Digital, NXP, Micron e Qualcomm, per non parlare di Raspberry Pi. IL lista completa comprende molte università, società di telecomunicazioni, produttori di chip e coloro che producono strumenti di progettazione e verifica, essenziali se si vuole che le specifiche di base si trasformino in veri e propri core.

L'hardware e il software attuali sono pochi. Il sito Web RISC-V elenca una serie di strumenti di progettazione, boot builder, linguaggi di programmazione e sistemi operativi, incluso Fedora Linux, di stabilità e funzionalità miste. Esistono numerose simulazioni di chip, progetti che possono essere inseriti in un chip logico programmabile FPGA o anche trasformato in un chip completamente personalizzato se hai la tecnologia e le conoscenze, ma solo sei chip effettivi annunciato. La disponibilità è sicuramente da chiedere prima.

Tuttavia, una società creata esplicitamente per supportare la produzione di chip RISC-V, SiFive, ha un strumento online di progettazione dei chip che costruisce un chip personalizzato basato su un gran numero di opzioni. L'azienda ha già spedito 2.500 schede di sviluppo e ha fornito il progetto per quello che viene considerato il primo chip RISC-V in un prodotto di consumo, il Huami Amazfit fascia fitness.

Entrambi Western Digital e Nvidia hanno detto che utilizzeranno RISC-V nel prossimo futuro; Nvidia sta sostituendo il controller integrato proprietario Falcon utilizzato per la gestione della grafica schede, mentre Western Digital afferma che inizierà a utilizzare i controller RISC-V in alcune delle sue unità disco 2020.

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NXP ha prodotto VEGAboard, una scheda di sviluppo contenente due core RISC-V insieme a due ARM, ma al momento in cui scriviamo non ha scorte e la darà solo ad accademici o sviluppatori qualificati: non è (ancora) in vendita.

RISC-V è anche un beneficiario della Brexit. Dopo aver combattuto per anni per ottenere importanti finanziamenti per a Calcolo europeo ad alte prestazioni progetto costruito sulla tecnologia UE e quindi basato su ARM, Mateo Valero, fondatore e direttore della Centro di supercalcolo di Barcellona, ha dichiarato al workshop RISC-V di Barcellona, ​​nel maggio 2018, che tutto è andato storto in un paio di mesi.

"Dopo aver convinto i politici europei, cosa succede? Brexit e Softbank [la società giapponese che ha acquistato ARM nel luglio 2016]. Quindi l’ARM non è più europea”.

Di conseguenza, l’Iniziativa europea per i trasformatori: annunciato nel 2018 — è stato creato per creare un'architettura di acceleratore hardware nativa europea, basata su RISC-V. I primi prodotti sono attesi tra due anni, con l'obiettivo di dotare l'Europa del terzo supercomputer più veloce del mondo.

RISC-V: vincerà?

Non c’è dubbio che RISC-V si trovi in ​​una posizione tecnica molto forte, basandosi su decenni di esperienza pratica nel campo dell’architettura e attirando il sostegno di tutto il settore. Ma c’è un enorme passo avanti dall’adozione come nucleo integrato in dispositivi autonomi alla costruzione di un tipo di ecosistema in cui i costi e i costi i vantaggi in termini di prestazioni superano il rischio di non disporre di soluzioni pronte all’uso pienamente convalidate per la progettazione, l’interoperabilità e la sostenibilità a lungo termine degli autobus. supporto. Non esiste ancora alcun processo di certificazione, nessuna standardizzazione per famiglie di componenti o imballaggi e nessun plug-and-play in nessun punto dello stack hardware o software.

Ma lo stesso valeva per Linux, all'inizio. Esistono modelli di successo per ottenere tutto quanto sopra, attraverso la cooperazione aperta tra gli attori del settore grandi e piccoli. La partecipazione agli eventi RISC-V sta crescendo rapidamente. C’è molto lavoro da fare, ma molte risorse, motivazioni e competenze vengono impegnate per farlo. RISC-V potrebbe non riuscire a soddisfare il suo potenziale, per molte ragioni, ma nessuna nuova architettura da decenni ha avuto così buone possibilità di successo.

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