มีอิสระในการเลือกฮาร์ดแวร์ของคุณหรือไม่? ค้นหาว่า RISC-V ปูทางไปสู่การเคลื่อนไหวของฮาร์ดแวร์แบบโอเพนซอร์สใหม่ได้อย่างไร
ผู้เล่นรายใหญ่หลายรายในธุรกิจเซมิคอนดักเตอร์ยังคงรักษาการออกแบบที่เป็นกรรมสิทธิ์และผู้ผลิตอุปกรณ์จำเป็นต้องจ่ายค่าธรรมเนียมใบอนุญาตเพื่อใช้งาน
ความตึงเครียดทางการค้าระหว่างสหรัฐอเมริกา จีน และไต้หวันทำให้เกิดความท้าทายในห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ ผู้ผลิตอุปกรณ์รายเล็กก็ประสบปัญหาในการจ่ายค่าธรรมเนียมเหล่านี้เช่นกัน และอุปสรรคในการเข้าก็สูงกว่ามาก
เช่นเดียวกับระบบปฏิบัติการโอเพ่นซอร์ส เช่น Linux ที่เพิ่มขีดความสามารถให้กับนักพัฒนา มาตรฐานแบบเปิดใหม่อาจทำให้รูปแบบการออกแบบและการผลิตอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนโลกของเราเปลี่ยนไปในทุกวันนี้
ในคู่มือนี้ เราจะพิจารณาประวัติศาสตร์ของสถาปัตยกรรม RISC ชั่งน้ำหนักข้อดีและข้อเสียของเทคโนโลยี และเจาะลึกการใช้งาน RISC-V สองสามอย่างที่คุณสามารถหาได้ในวันนี้
แต่ก่อนอื่น เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใด RISC-V จึงน่าตื่นเต้น เราต้องเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร
ชุดคำสั่งคืออะไร?
ชุดคำสั่งหมายถึงชุดการทำงานที่คอมพิวเตอร์ได้รับการออกแบบให้ทำงานในระดับเครื่อง
คิดว่าคำสั่งเหล่านี้เป็นคำสั่งพื้นฐานที่สุด เช่น การเพิ่ม การคูณ การโหลด และการจัดเก็บข้อมูล สถาปัตยกรรมชุดคำสั่งเป็นส่วนต่อประสานที่สำคัญที่สุดในคอมพิวเตอร์เพราะแบ่งด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์
ชุดคำสั่งของ CPU บอกเราว่า CPU สามารถทำอะไรได้บ้างเมื่อถูกจำกัดโดยการออกแบบของฮาร์ดแวร์
ถ้าคุณขอให้ CPU เพิ่มสองบิตเข้าด้วยกัน มันจะรู้ว่าต้องทำอะไร เนื่องจากมีคำสั่งในตัวของฮาร์ดแวร์เพื่อรองรับคำสั่งนี้
การดำเนินการที่ซับซ้อน เช่น การโหลดวิดีโอ YouTube การเล่น a วิดีโอเกมหรือการส่งทวีตนั้นเกี่ยวข้องกับการเรียกคำสั่งพื้นฐานนับล้านชุดที่พบในชุดคำสั่ง CPU
สถาปัตยกรรมชุดคำสั่งทั่วไป (ISA) ได้แก่ ARM และ x86 ของ Intel ซึ่งก่อนหน้านี้เป็น ISA ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลก
ISAs เหล่านี้ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกเมื่อหลายสิบปีก่อนภายใต้ใบอนุญาตที่เป็นกรรมสิทธิ์ ในปีก่อนหน้านั้น ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ส่วนใหญ่เป็นกรรมสิทธิ์
RISC คืออะไร?
ในช่วงทศวรรษ 1970 วิศวกรคอมพิวเตอร์มักจะให้ความสำคัญกับการเพิ่มความซับซ้อนของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วและสามารถดำเนินการตามคำสั่งจำนวนมากได้ สิ่งนี้นำไปสู่คอมพิวเตอร์ประเภทหนึ่งที่เรียกว่า CISC หรือคอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ซับซ้อน
ปรากฎว่าคำแนะนำส่วนใหญ่ไม่ค่อยได้ใช้ในทางปฏิบัติ เช่น ในภาษาคอมพิวเตอร์ระดับสูง เช่น C. David Patterson และ Carlo Sequin จาก University of California ที่ Berkeley คิดว่าประสิทธิภาพที่ดีขึ้นสามารถทำได้ที่ต่ำกว่ามาก ค่าใช้จ่ายโดยลดความซับซ้อนของโปรเซสเซอร์
โดยการลดความซับซ้อนลง พวกเขาสามารถใช้พื้นที่ที่เหลือสำหรับหน่วยความจำได้ สมมติฐานนี้ถูกขนานนามว่า RISC หรือคอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ลดลง
โครงการ RISC-I เริ่มต้นจากโครงการวิจัยที่มีวัตถุประสงค์เพื่อพิสูจน์ว่าคอมพิวเตอร์ RISC เป็นไปได้ นักศึกษาที่ Berkeley สามารถสร้างการออกแบบที่ทำงานได้โดยใช้คำสั่งเพียง 31 คำสั่ง
ส่วนควบคุมและคำสั่งของชิปใช้เพียง 6% ของแม่พิมพ์ซิลิโคน ในขณะที่ชิปอื่นๆ จะใช้เพียงครึ่งหนึ่งเพื่อจุดประสงค์เดียวกัน การลงทะเบียนถูกเพิ่มเพื่อเติมเต็มพื้นที่ว่าง การลงทะเบียนเหล่านี้ทำให้ชิปสามารถเก็บหน่วยความจำที่ใช้งานได้มากขึ้น
สถาปัตยกรรม RISC ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษ 1980 อย่างไรก็ตาม ในไม่ช้าชิปจำนวนมากก็เลิกชอบ ในปัจจุบัน โปรเซสเซอร์ที่ใช้ ARM เป็นโปรเซสเซอร์ RISC ที่พบบ่อยที่สุด เนื่องจากความแพร่หลายของสมาร์ทโฟนสมัยใหม่ซึ่งเกือบทั้งหมดใช้ชิป ARM เพียงอย่างเดียว
RISC-V คืออะไร?
RISC-V หมายถึงชุดคำสั่งโอเพนซอร์ซเฉพาะซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อปฏิบัติตามหลักการ RISC ไม่เหมือนกับการออกแบบ ISA อื่นๆ ส่วนใหญ่ RISC-V ISA ไม่ต้องการค่าธรรมเนียมใดๆ ในการใช้งาน
สถาปัตยกรรม RISC-V เริ่มต้นจากโครงการวิจัยของ Krste Asanović ที่ UC Berkeley แต่ต่อมาได้เชิญผู้มีส่วนร่วมจากทั่วทุกมุมโลก
CPU ที่ใช้ RISC มีชุดคำสั่งที่เรียบง่าย ซึ่งใช้เวลาเพียงหนึ่งรอบนาฬิกาจึงจะเสร็จสมบูรณ์ พวกเขาแลกเปลี่ยนความซับซ้อนด้วยประสิทธิภาพที่เร็วขึ้นผ่านการใช้สถาปัตยกรรมโหลด-สโตร์
ซึ่งหมายความว่าคำสั่งระบุที่อยู่เฉพาะการลงทะเบียน ซึ่งเข้าถึงได้เร็วกว่าหน่วยความจำหลักมาก
RISC-V ยังรองรับโครงสร้างการวางท่อที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยให้คำสั่งหลายคำสั่งทำงานพร้อมกันได้
เนื่องจาก RISC-V เป็นมาตรฐานเปิด ทุกคนสามารถใช้ชุดคำสั่งสำหรับผลิตภัณฑ์ของตนเองได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การปฏิวัติในพื้นที่ฮาร์ดแวร์โอเพนซอร์ส
Key Features
- ชุดคำสั่งง่ายๆ – การขาดรายการคำสั่งที่ซับซ้อนช่วยให้ดำเนินการคำสั่งได้รวดเร็วขึ้น และทำให้ส่งคำสั่งหลายคำสั่งได้ง่ายขึ้น
- modularity – RISC-V มี ISA ฐานมาตรฐานขนาดเล็กและมาพร้อมกับส่วนขยายมาตรฐานต่างๆ ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกเฉพาะชิ้นส่วนที่ต้องการเมื่อสร้างชิป RISC-V ของตนเอง
- ขยาย – สามารถเพิ่มฟังก์ชันเฉพาะลงใน ISA หลักผ่านส่วนขยายได้ สิ่งนี้ทำให้ผู้ใช้สามารถสร้างคำแนะนำที่กำหนดเองได้เมื่อจำเป็น
- โอเพ่นซอร์ส IP – RISC-V เป็นมาตรฐานเปิด ซึ่งหมายความว่าใครก็ตามที่ต้องการใช้การออกแบบเหล่านี้สามารถทำได้โดยไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับค่าธรรมเนียมใบอนุญาต
- สถาปัตยกรรมโหลดสโตร์ – หน่วยความจำมีความสำคัญมากกว่าความซับซ้อนโดยใช้รีจิสเตอร์
ข้อดี
- RISC-V เป็นมาตรฐานเปิด หมายความว่าทุกคนสามารถสร้างชิปของตัวเองได้
- การออกแบบเป็นชั้นและขยายได้ทำให้เกิดนวัตกรรม ทุกคนสามารถใช้ชุดคำสั่งและสามารถสร้างส่วนขยายที่กำหนดเองสำหรับโปรเซสเซอร์ที่กำหนดเองได้
- RISC-V สามารถขยายได้ คุณสามารถเพิ่มคุณสมบัติใหม่ให้กับชุดคำสั่งได้ตลอดเวลา
- เนื่องจาก RISC-V เป็นโอเพ่นซอร์ส ทุกคนสามารถมีส่วนร่วมในการค้นหาจุดบกพร่องได้
- RISC-V ทำให้วงจรการพัฒนาเป็นไปอย่างรวดเร็ว ไม่จำเป็นต้องจัดการค่าธรรมเนียมใบอนุญาต
จุดด้อย
- ลักษณะการกระจายอำนาจทำให้ยากต่อการปล่อยแพตช์และการอัปเดต
- มีความเป็นไปได้ของการกระจายตัวของตลาด เนื่องจากทุกคนสามารถออกแบบชิป RISC-V ของตนเองได้ จึงเป็นความท้าทายที่จะต้องแน่ใจว่าตลาด RISC-V อาจไม่มีคุณภาพ ความปลอดภัย หรือความสามารถในการทำงานร่วมกันที่สม่ำเสมอเหมือนกัน
- ไม่มีการรับประกันการรับบุตรบุญธรรม การลงทุนในเทคโนโลยี RISC-V อาจย้อนกลับมาหากพวกเขายังคงได้รับส่วนแบ่งการตลาดเพียงเล็กน้อย
- ในขณะนี้ RISC-V ยังคงมีการรองรับฮาร์ดแวร์ที่จำกัด
- ปัญหาอีกประการหนึ่งคือความหนาแน่นของรหัส สำหรับโปรแกรมบางโปรแกรม ชุดคำสั่ง RISC ที่คอมไพล์แล้วมักจะต้องการไบต์มากกว่าเมื่อคอมไพล์ไปยัง CISC เนื่องจากอาจต้องใช้คำสั่ง RISC หลายคำสั่งเพื่อทำคำสั่ง CISC เดียว
การใช้งานปัจจุบันของ RISC-V
RISC-V เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานแบบฝังตัว กรณีเหล่านี้คือกรณีการใช้งานที่ต้องใช้ซอฟต์แวร์ที่วางไว้อย่างถาวรในอุปกรณ์เพื่อดำเนินการตามชุดคำสั่งที่ระบุ
ลองนึกถึงอุปกรณ์ในระบบนิเวศของ Internet of Things หรือในแอปพลิเคชันยานยนต์และตัวควบคุมคอมพิวเตอร์
ต่อไปนี้คือแอปพลิเคชันบางส่วนสำหรับสถาปัตยกรรม RISC-V ที่คุณสามารถพบได้ในปัจจุบัน
อาลีบาบา
เป็นไปได้ว่าความตึงเครียดระหว่างสหรัฐอเมริกาและจีนเรื่องทรัพย์สินทางปัญญาทำให้บริษัทเทคโนโลยีของจีนเปลี่ยนมาใช้ โอเพนซอร์ส.
ในเดือนตุลาคม 2021 Alibaba Cloud Intelligence ประกาศ ว่าพวกเขาจะใช้โปรเซสเซอร์โอเพ่นซอร์ส RISC-V สำหรับสถาปัตยกรรมของพวกเขา
สิ่งเหล่านี้จะกลายเป็นฟูลสแตกแรกของโลก โอเพนซอร์ส โปรเซสเซอร์ซีรีส์
“RISC-V เป็นที่น่าสนใจมากในเวลานี้ เนื่องจากเป็นทางเลือกแทน ISAs แบบปิดและมีค่าใช้จ่ายสูง ISA RISC-V แบบเปิดและฟรีจะช่วยเร่งนวัตกรรมโปรเซสเซอร์ผ่านการทำงานร่วมกันแบบมาตรฐานเปิด” Yu Pu หัวหน้าผลิตภัณฑ์ของ T-Head กล่าว บริษัทเซมิคอนดักเตอร์และบริษัทในเครือของอาลีบาบา
SiFive
SiFive เป็นบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ที่ก่อตั้งขึ้นในปี 2015 โดย Krste Asanović, Yunsup Lee และ Andrew Waterman นักวิจัยสามคนจาก University of California Berkeley
พวกเขาสามารถสร้างชิปตัวแรกที่ใช้ RISC-V ISA ได้ ตั้งแต่นั้นมา พวกเขาสามารถร่วมมือกับบริษัทมากกว่า 100 แห่งเพื่อปรับปรุงอุปกรณ์ด้วยชิป RISC-V
SiFive Cores เป็นโซลูชัน RISC‑V ที่ใช้ซิลิคอนมากที่สุดในโลก
SiHive ยังมีชุดการเข้ารหัส RISC-V ของ BBC Doctor Who ที่ใช้สำหรับสอนเด็กๆ เกี่ยวกับการเขียนโปรแกรมและเทคโนโลยี IoT
ผลิตภัณฑ์นี้แสดงให้เห็นสัญญาในสถาปัตยกรรม RISC-V ที่จะมาถึงตลาดอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคในไม่ช้า
เมฆ Computing
สถาปัตยกรรม RISC-V ยังสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนระบบคลาวด์ได้อีกด้วย บางบริษัทตั้งเป้าไว้แล้ว ปริมาณงานของศูนย์ข้อมูล เป็นการประยุกต์ใช้ RISC-V ต่อไป
เครือข่ายการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) ใช้ RISC-V เพื่อประมวลผลข้อมูลระหว่างทางอยู่แล้ว
เนื่องจากเซิร์ฟเวอร์ใช้เวลาในการผลิตนานกว่าผลิตภัณฑ์แบบฝัง จึงต้องใช้เวลาสักครู่จนกว่าเราจะเห็นเซิร์ฟเวอร์ทั้งหมดทำงานบน RISC-V
สรุป
วิธีที่เราโต้ตอบกับอินเทอร์เน็ตนั้นสร้างขึ้นบนพื้นฐานที่มั่นคงของมาตรฐานแบบเปิด อุปกรณ์ที่เราใช้อาจเป็นไปตามมาตรฐานแบบเปิด เช่น การออกแบบ USB หรือวิธีที่อุปกรณ์เชื่อมต่อถึงกัน ตลอด Wi-Fi และบลูทูธ
มาตรฐานแบบเปิดเหล่านี้ทำให้อุปกรณ์และแอปพลิเคชันทั้งหมดของเราทำงานและทำงานร่วมกันได้มากขึ้น
มาตรฐานแบบเปิด เช่น RISC-V จะส่งผลต่อการออกแบบอุปกรณ์ของเรา
จะช่วยให้ทุกคนสร้างสิ่งที่พวกเขาต้องการโดยไม่ต้องถูกจำกัดโดย IP ที่เป็นกรรมสิทธิ์ RISC-V ได้รับการดูแลโดยชุมชนการพัฒนาที่กระตือรือร้นซึ่งโปร่งใสและมีลักษณะการทำงานร่วมกัน
อนาคตของฮาร์ดแวร์ที่เราใช้ในอุปกรณ์ของเราไม่ได้ถูกตัดสินด้วยประตูที่ปิดอีกต่อไปแล้ว แต่ตัดสินใจอย่างเปิดเผยเพื่อให้ทุกคนมีส่วนร่วม
แชร์บทความนี้หากคุณพบว่ามีความเข้าใจอย่างลึกซึ้ง อย่าพลาดข่าวสารล่าสุดใน AI, ML และเทคโนโลยีแห่งอนาคตโดยสมัครรับข่าวสารของเรา จดหมายข่าวรายสัปดาห์!
เขียนความเห็น