RISC-V là gì? Một giải pháp thay thế mở cho Intel và ARM mới nhất 2023

Nếu bạn muốn xây dựng một máy tính mã nguồn mở, bạn có thể — nếu bạn đang nói về phần mềm. Tuy nhiên, bộ xử lý bên dưới là độc quyền. RISC-V là một thiết kế vi xử lý mã nguồn mở đang nhanh chóng đạt được sức hút và hứa hẹn sẽ thay đổi bối cảnh máy tính.

Một giải pháp thay thế cho các thiết kế của Intel và ARM

Hiện tại, hai thiết kế vi xử lý thống trị tối cao: thiết kế do ARM tạo ra và x86 của Intel. Mặc dù cả hai công ty đều hoạt động với quy mô khủng khiếp, nhưng mô hình kinh doanh của họ về cơ bản là khác nhau.

Intel thiết kế và sản xuất chip của riêng mình, trong khi ARM cấp phép thiết kế của mình cho các nhà thiết kế bên thứ ba, như Qualcomm và Samsung, sau đó bổ sung các cải tiến của riêng họ. Trong khi Samsung có cơ sở hạ tầng để sản xuất bộ vi xử lý của mình trong nhà, thì Qualcomm (và các nhà thiết kế “tài giỏi” khác) lại giao công việc quan trọng này cho các bên thứ ba.

Trong trường hợp của ARM, điều này cũng thường yêu cầu người cấp phép ký các thỏa thuận không tiết lộ được thiết kế để giữ kín các khía cạnh của thiết kế chip. Điều đó hầu như không gây ngạc nhiên, vì toàn bộ mô hình kinh doanh của nó không được định hình xung quanh sản xuất, mà là sở hữu trí tuệ.

Trong khi đó, Intel có những bí mật thiết kế thương mại của riêng mình dưới dạng khóa và chìa khóa. Vì cả hai loại bộ xử lý đều là thương mại, nên rất khó (nếu không phải là hoàn toàn không thể) đối với các học giả và tin tặc nguồn mở để tác động đến thiết kế.

RISC-V là gì?

RISC-V (phát âm là “risk-năm”) là một kiến trúc tập lệnh (ISA) phần cứng nguồn mở dựa trên các nguyên tắc máy tính với tập lệnh đơn giản hóa (RISC) đã thiết lập.

Dự án bắt đầu vào năm 2010 tại Đại học California, Berkeley, nhưng nhiều người đóng góp là tình nguyện viên không liên kết với trường đại học.
Từ tháng 3 năm 2019, phiên bản 2.2 của không gian người ISA dùng bị đóng băng, cho phép hầu hết sự phát triển phần mềm được tiến hành. ISA đặc quyền có sẵn dưới dạng bản nháp 1.10. Một đặc tả gỡ lỗi có sẵn dưới dạng bản nháp 0.13.1.

Ý nghĩa

Nguyên mẫu bộ xử lý RISC-V, tháng 1 năm 2013

ISA mới có thể sử dụng thường rất đắt tiền. Các nhà thiết kế máy tính thường không đủ khả năng làm việc miễn phí. Ngoài ra, phát triển CPU đòi hỏi chuyên môn thiết kế trong một số chuyên ngành: logic kỹ thuật số điện tử, trình biên dịch và hệ điều hành. Rất hiếm khi tìm thấy một nhóm như vậy bên ngoài một tổ chức kỹ thuật chuyên nghiệp. Các nhóm thường được trả từ tiền tính cho thiết kế của họ. Do đó, các nhà cung cấp thương mại cho các thiết kế máy tính, như ARM Holdings và Công nghệ MIPS tính phí bản quyền cho việc sử dụng các thiết kế, bằng sáng chế và bản quyền của họ.

Họ cũng thường yêu cầu các thỏa thuận không tiết lộ trước khi phát hành các tài liệu mô tả các ưu điểm và hướng dẫn chi tiết về thiết kế của họ. Trong nhiều trường hợp, họ không bao giờ mô tả lý do cho sự lựa chọn thiết kế của họ.

Chi phí và bí mật này làm cho việc phát triển phần cứng và phần mềm mới trở nên khó khăn hơn nhiều. Nó cũng ngăn chặn kiểm toán an ninh. Một kết quả khác là các bộ hướng dẫn máy tính đa năng hiện đại, chất lượng cao đã không được giải thích hoặc có sẵn ngoại trừ trong các môi trường học thuật.

RISC-V đã được bắt đầu để giải quyết những vấn đề này. Mục tiêu là tạo ra một ISA thực tế có nguồn mở, có thể sử dụng về mặt học thuật và trong bất kỳ thiết kế phần cứng hoặc phần mềm nào mà không có tiền bản quyền. Ngoài ra, các lý do cho mọi phần của dự án được giải thích, ít nhất là rộng rãi. Các tác giả RISC-V là học giả nhưng có kinh nghiệm đáng kể trong thiết kế máy tính. RISC-V ISA là sự phát triển trực tiếp từ một loạt các dự án thiết kế máy tính hàn lâm. Nó được bắt nguồn một phần để hỗ trợ các dự án như vậy.

Để giải quyết chi phí thiết kế, dự án bắt đầu như nghiên cứu học thuật được tài trợ bởi DARPA. Để xây dựng một cộng đồng người dùng lớn, liên tục và do đó tích lũy các thiết kế và phần mềm, các nhà thiết kế RISC-V đã lên kế hoạch hỗ trợ nhiều ứng dụng thực tế: Thực hiện trong thế giới thực nhỏ, nhanh và năng lượng thấp, mà không cần kiến trúc quá mức cho một kiến trúc vi mô cụ thể. Nhu cầu về số lượng lớn người đóng góp là một phần lý do tại sao RISC-V được thiết kế để phù hợp với nhiều mục đích sử dụng.

Do đó, nhiều người đóng góp RISC-V coi dự án là một nỗ lực cộng đồng thống nhất.

RISC-V khác biệt như thế nào?

RISC-V rất khác biệt. Đầu tiên, nó không phải là một công ty. Nó được các học giả tại Đại học California ở Berkeley hình thành lần đầu tiên vào năm 2010 như một nguồn mở, miễn phí bản quyền thay thế cho các ứng dụng đương nhiệm hiện có.

Nó tương tự như cài đặt Linux thay vì Windows, do đó bạn không phải mua bất kỳ thứ gì hoặc đồng ý với bất kỳ thỏa thuận cấp phép khó khăn nào. RISV-V nhằm mục đích làm điều tương tự đối với nghiên cứu và thiết kế chất bán dẫn.

ARM cũng cấp phép cho cả kiến ​​trúc tập lệnh (ISA), đề cập đến các lệnh mà bộ xử lý có thể hiểu được một cách nguyên bản và vi kiến ​​trúc cho thấy cách nó có thể được thực hiện.

RISC-V chỉ cung cấp ISA, cho phép các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất xác định cách họ thực sự muốn sử dụng nó. Điều này làm cho nó có thể mở rộng cho các thiết bị của tất cả các loại, từ chip 16 bit công suất thấp cho hệ thống nhúng, đến bộ xử lý 128 bit cho siêu máy tính.

Như tên cho thấy, RISC-V sử dụng các nguyên tắc máy tính tập lệnh rút gọn (RISC), giống như các chip dựa trên thiết kế ARM, MIPS, SPARC và Power.

Điều đó có nghĩa là gì? Chà, ở trung tâm của bất kỳ bộ xử lý máy tính nào, có những thứ được gọi là hướng dẫn. Theo thuật ngữ cơ bản nhất, đây là những chương trình nhỏ được trình bày trong phần cứng để cho bộ xử lý biết phải làm gì.

Các chip dựa trên RISC thường có ít lệnh hơn so với các chip sử dụng thiết kế máy tính tập lệnh phức tạp (CISC), giống như các chip do Intel cung cấp. Hơn nữa, bản thân các hướng dẫn này đơn giản hơn nhiều để thực hiện trong phần cứng.

Hướng dẫn đơn giản hơn có nghĩa là các nhà sản xuất chip có thể hiệu quả hơn nhiều với các thiết kế chip của họ. Sự cân bằng là những tác vụ tương đối phức tạp này không được thực hiện bởi bộ xử lý. Thay vào đó, chúng được chia thành nhiều hướng dẫn nhỏ hơn bằng phần mềm.

Kết quả là, RISC đã có biệt danh Đưa nội dung quan trọng vào trình biên dịch. Mặc dù điều đó nghe có vẻ là một điều tồi tệ, nhưng không phải vậy. Tuy nhiên, để hiểu nó, trước tiên bạn phải hiểu bộ xử lý máy tính thực sự là gì.

Bộ xử lý trong điện thoại hoặc máy tính của bạn bao gồm hàng tỷ thành phần nhỏ gọi là bóng bán dẫn. Trong trường hợp chip dựa trên CISC, nhiều bóng bán dẫn trong số này đại diện cho các lệnh khác nhau có sẵn.

Vì chip RISC có ít lệnh hơn, đơn giản hơn, bạn không cần nhiều bóng bán dẫn. Điều này có nghĩa là bạn có nhiều chỗ hơn để làm rất nhiều điều thú vị. Ví dụ: bạn có thể bao gồm nhiều bộ nhớ cache và thanh ghi bộ nhớ hoặc chức năng bổ sung cho xử lý đồ họa và AI.

Bạn cũng có thể làm cho chip nhỏ hơn về mặt vật lý bằng cách sử dụng ít bóng bán dẫn tổng thể hơn. Đây là lý do tại sao các chip dựa trên RISC của MIPS và ARM thường được tìm thấy trong các thiết bị Internet of Things (IoT).

Nhu cầu về tốc độ

Tất nhiên, cấp phép không phải là lý do duy nhất cho RISC-V. David Patterson, người dẫn đầu các dự án nghiên cứu đầu tiên về thiết kế bộ xử lý RISC, cho biết RISC-V được thiết kế để giải quyết các giới hạn sắp xảy ra về hiệu suất CPU có thể đạt được từ các cải tiến sản xuất.

Càng nhiều bóng bán dẫn bạn có thể lắp trên chip, thì cuối cùng bộ xử lý càng trở nên có khả năng hơn. Do đó, các nhà sản xuất chip như TSMC và Samsung (cả hai đều sản xuất bộ vi xử lý thay mặt cho bên thứ ba) đang làm việc chăm chỉ để thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn hơn nữa.

Bộ vi xử lý thương mại đầu tiên, Intel 4004, chỉ có 2.250 bóng bán dẫn, mỗi bóng bán dẫn có kích thước 10.000 nanomet (khoảng 0,01mm). Nhỏ, chắc chắn, nhưng tương phản với bộ vi xử lý A14 Bionic của Apple, được phát hành 40 năm sau. Con chip đó (cung cấp năng lượng cho iPad Air mới) có 11,8 tỷ bóng bán dẫn, mỗi bóng có kích thước 5 nanomet.

Năm 1965, Gordon E. Moore, người đồng sáng lập Intel, đưa ra giả thuyết rằng số lượng bóng bán dẫn có thể được đặt trên một con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm.

“Sự phức tạp đối với chi phí thành phần tối thiểu đã tăng với tốc độ khoảng hai hệ số mỗi năm,” Moore viết trong số báo kỷ niệm 35 năm của Thiết bị điện tử tạp chí. “Chắc chắn, trong ngắn hạn, tỷ lệ này có thể tiếp tục, nếu không muốn nói là tăng. Trong dài hạn, tốc độ tăng không chắc chắn hơn một chút, mặc dù không có lý do gì để tin rằng nó sẽ gần như không đổi trong ít nhất 10 năm ”.

Định luật Moore dự kiến ​​sẽ không còn được áp dụng trong thập kỷ này. Cũng có nhiều nghi ngờ về việc liệu các nhà sản xuất chip có thể tiếp tục xu hướng thu nhỏ này trong dài hạn hay không. Điều này áp dụng ở cả cấp độ khoa học cơ bản và cấp độ kinh tế.

Rốt cuộc, các bóng bán dẫn nhỏ hơn thì chế tạo phức tạp hơn và tốn kém hơn rất nhiều. TSMC, chẳng hạn, đã chi hơn 17 tỷ USD cho nhà máy của mình để tạo ra chip 5 nm. Với bức tường gạch này, Risk-V nhằm mục đích giải quyết vấn đề hiệu suất bằng cách xem xét các cách bên cạnh việc thu nhỏ kích thước và số lượng bóng bán dẫn.

Các công ty đã sử dụng RISC-V

Dự án RISC-V bắt đầu vào năm 2010, và con chip đầu tiên sử dụng ISA được sản xuất vào năm 2011. Ba năm sau, dự án được công bố rộng rãi và thu hút sự quan tâm về mặt thương mại ngay sau đó. Công nghệ này đã được sử dụng bởi các công ty như NVIDIA, Alibaba và Western Digital.

Điều trớ trêu là không có gì đột phá về RISC-V cả. Tổ chức ghi nhận trên trang web của mình: “RISC-V ISA dựa trên các ý tưởng kiến ​​trúc máy tính có từ ít nhất 40 năm.”

Tuy nhiên, điều được cho là đột phá là mô hình kinh doanh — hoặc thiếu mô hình kinh doanh. Điều này cho thấy dự án để thử nghiệm, phát triển và tăng trưởng tiềm năng. Như Quỹ RISC-V cũng lưu ý trên trang web của mình:

“Sự quan tâm là vì nó là một tiêu chuẩn mở và miễn phí phổ biến mà phần mềm có thể được chuyển đến, và cho phép mọi người tự do phát triển phần cứng của riêng mình để chạy phần mềm.”

Tại bài viết này, chip RISC-V phần lớn phải vất vả trong hậu trường trong các trang trại máy chủ và như bộ vi điều khiển. Vẫn còn phải xem liệu có bất kỳ tiềm năng nào để phá vỡ sự độc quyền của ARM / Intel ISA trong không gian người tiêu dùng hay không.

Tuy nhiên, nếu những người đương nhiệm trì trệ, thì có khả năng một con ngựa đen có thể phi nước đại và thay đổi mọi thứ.

Từ khoá tìm kiếm: