Có quyền tự do lựa chọn phần cứng của bạn không? Tìm hiểu cách RISC-V đang mở đường cho một phong trào phần cứng nguồn mở mới.
Nhiều công ty lớn trong lĩnh vực kinh doanh chất bán dẫn giữ độc quyền thiết kế của họ và các nhà sản xuất thiết bị cần phải trả phí cấp phép để sử dụng chúng.
Căng thẳng thương mại giữa Mỹ, Trung Quốc và Đài Loan tạo ra một thách thức trong chuỗi cung ứng chất bán dẫn. Các nhà sản xuất thiết bị nhỏ hơn cũng đang gặp khó khăn trong việc trang trải các khoản phí này và rào cản gia nhập cao hơn nhiều.
Theo cùng một cách mà các hệ điều hành nguồn mở như Linux đã trao quyền cho các nhà phát triển, một tiêu chuẩn mở mới có thể làm thay đổi cách chúng ta thiết kế và tạo ra các thiết bị chạy trên thế giới ngày nay.
Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét lịch sử của kiến trúc RISC, cân nhắc những ưu và nhược điểm của công nghệ và đi sâu vào một số ứng dụng của RISC-V mà bạn có thể tìm thấy ngày nay.
Nhưng trước tiên, để hiểu tại sao RISC-V lại thú vị như vậy, chúng ta cần hiểu cách máy tính vận hành.
Bộ hướng dẫn là gì?
Tập lệnh đề cập đến tập hợp các hoạt động mà một máy tính được thiết kế để thực hiện ở cấp độ máy.
Hãy coi đây là những lệnh cơ bản nhất như thêm, nhân, tải và lưu trữ dữ liệu. Kiến trúc tập lệnh là giao diện quan trọng nhất trong máy tính vì nó phân chia khía cạnh phần cứng và phần mềm.
Tập lệnh của CPU cho chúng ta biết những gì CPU có thể làm được khi bị giới hạn bởi thiết kế phần cứng của nó.
Nếu bạn yêu cầu một CPU thêm hai bit với nhau, nó sẽ biết chính xác phải làm gì vì có một lệnh được tích hợp sẵn trong phần cứng để đáp ứng lệnh này.
Các hoạt động phức tạp như tải video YouTube, phát video gamehoặc gửi một tweet liên quan đến việc gọi hàng triệu lệnh cơ bản này được tìm thấy trong tập lệnh CPU.
Kiến trúc tập lệnh phổ biến (ISA) bao gồm ARM và x86 của Intel, kiến trúc trước đây là ISA được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.
Các ISA này lần đầu tiên được phát triển cách đây nhiều thập kỷ theo giấy phép độc quyền. Trong những năm trước đó, hầu hết phần cứng và phần mềm là độc quyền.
RISC là gì?
Trong những năm 1970, các kỹ sư máy tính có xu hướng tập trung vào việc tăng độ phức tạp của kiến trúc máy tính.
Công nghệ bán dẫn đã phát triển nhanh chóng và có khả năng thực hiện một số lượng lớn các lệnh. Điều này dẫn đến một loại máy tính được gọi là CISC, hoặc máy tính tập lệnh phức tạp.
Hóa ra là hầu hết các hướng dẫn hiếm khi được sử dụng trong thực tế, chẳng hạn như trong các ngôn ngữ máy tính cấp cao như C. David Patterson và Carlo Sequin của Đại học California tại Berkeley nghĩ rằng có thể đạt được hiệu suất tốt hơn với mức thấp hơn nhiều. chi phí bằng cách đơn giản hóa bộ xử lý.
Bằng cách giảm mức độ phức tạp, họ có thể sử dụng không gian còn lại cho bộ nhớ. Giả thuyết này được mệnh danh là RISC, hay máy tính tập lệnh rút gọn.
Dự án RISC-I bắt đầu như một dự án nghiên cứu nhằm chứng minh rằng một máy tính RISC là khả thi. Sinh viên tại Berkeley có thể tạo ra một thiết kế hoạt động chỉ với 31 hướng dẫn.
Phần điều khiển và hướng dẫn của chip chỉ chiếm 6% khuôn silicon, trong khi các chip khác sẽ sử dụng một nửa cho cùng mục đích. Đăng ký đã được thêm vào để lấp đầy không gian giải phóng. Các thanh ghi này cho phép chip chứa nhiều bộ nhớ hoạt động hơn.
Kiến trúc RISC đã thành công về mặt thương mại trong những năm 1980. Tuy nhiên, nhiều chip đã sớm không còn được ưa chuộng. Hiện tại, bộ xử lý dựa trên ARM là bộ xử lý RISC phổ biến nhất, do sự phổ biến của điện thoại thông minh hiện đại hầu như chỉ sử dụng chip ARM.
RISC-V là gì?
RISC-V đề cập đến một tập hướng dẫn nguồn mở cụ thể nhằm mục đích tuân theo các nguyên tắc RISC. Không giống như hầu hết các thiết kế ISA khác, RISC-V ISA không yêu cầu bất kỳ khoản phí nào để sử dụng.
Kiến trúc RISC-V ban đầu bắt đầu như một dự án nghiên cứu của Krste Asanović tại UC Berkeley, nhưng sau đó đã mời những người đóng góp từ khắp nơi trên thế giới.
CPU dựa trên RISC có một bộ hướng dẫn được đơn giản hóa chỉ mất một chu kỳ đồng hồ để hoàn thành. Họ đánh đổi sự phức tạp với hiệu suất nhanh hơn thông qua việc sử dụng kiến trúc lưu trữ tải.
Điều này có nghĩa là địa chỉ hướng dẫn chỉ đăng ký, được truy cập nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ chính.
RISC-V cũng hỗ trợ cấu trúc pipelining hiệu quả, cho phép nhiều lệnh thực thi song song.
Bởi vì RISC-V là một tiêu chuẩn mở, bất kỳ ai cũng có thể sử dụng tập lệnh cho các sản phẩm của riêng mình, điều này có thể dẫn đến một cuộc cách mạng trong không gian phần cứng nguồn mở.
Các tính năng chính
- Bộ hướng dẫn đơn giản - Việc thiếu một danh sách các lệnh phức tạp cho phép các lệnh được thực thi nhanh hơn và làm cho việc chuyển nhiều lệnh trở nên dễ dàng hơn.
- Mô đun - RISC-V có ISA cơ sở tiêu chuẩn nhỏ và đi kèm với các phần mở rộng tiêu chuẩn khác nhau. Điều này cho phép người dùng chỉ chọn những phần họ cần khi xây dựng chip RISC-V của riêng họ.
- Khả năng mở rộng - Các chức năng cụ thể có thể được thêm vào ISA chính thông qua các phần mở rộng. Điều này cho phép người dùng tạo các hướng dẫn tùy chỉnh của riêng họ khi cần thiết.
- IP nguồn mở - RISC-V là một tiêu chuẩn mở, có nghĩa là bất kỳ ai muốn sử dụng các thiết kế này đều có thể làm như vậy mà không phải lo lắng về phí cấp phép.
- Kiến trúc cửa hàng tải - Bộ nhớ được ưu tiên hơn độ phức tạp bằng cách sử dụng các thanh ghi.
Ưu điểm
- RISC-V là một tiêu chuẩn mở, có nghĩa là bất kỳ ai cũng có thể xây dựng chip của riêng mình.
- Thiết kế nhiều lớp và có thể mở rộng cho phép đổi mới. Bất kỳ ai cũng có thể triển khai tập hướng dẫn và có thể tạo tiện ích mở rộng tùy chỉnh cho bộ xử lý tùy chỉnh.
- RISC-V có thể mở rộng. Bạn luôn có thể thêm các tính năng mới vào tập hướng dẫn.
- Vì RISC-V là mã nguồn mở nên bất kỳ ai cũng có thể tham gia tìm kiếm lỗi.
- RISC-V tạo khả năng cho một chu kỳ phát triển nhanh chóng. Không cần phải xử lý phí cấp phép.
Nhược điểm
- Bản chất phi tập trung gây khó khăn cho việc phát hành các bản vá và cập nhật.
- Có khả năng thị trường bị phân mảnh. Vì bất kỳ ai cũng có thể thiết kế chip RISC-V của riêng mình, nên sẽ là một thách thức để đảm bảo rằng thị trường RISC-V có thể không có cùng chất lượng, bảo mật hoặc khả năng tương tác nhất quán.
- Không có bảo đảm cho việc nhận con nuôi. Đầu tư vào công nghệ RISC-V có thể phản tác dụng nếu họ tiếp tục chỉ nhận được một phần nhỏ thị phần.
- Hiện tại, RISC-V vẫn được hỗ trợ phần cứng hạn chế.
- Một vấn đề khác là mật độ mã. Đối với một chương trình nhất định, một tập lệnh RISC đã biên dịch thường yêu cầu nhiều byte hơn so với khi được biên dịch sang CISC. Điều này là do nó có thể yêu cầu một số lệnh RISC để thực hiện một lệnh CISC duy nhất.
Các ứng dụng hiện tại của RISC-V
RISC-V lý tưởng cho các ứng dụng nhúng. Đây là những trường hợp sử dụng yêu cầu phần mềm được đặt cố định bên trong thiết bị để thực hiện một bộ hướng dẫn cụ thể.
Hãy nghĩ về các thiết bị trong hệ sinh thái Internet of Things hoặc trong các ứng dụng ô tô và bộ điều khiển máy tính.
Dưới đây là một số ứng dụng cho kiến trúc RISC-V mà bạn có thể tìm thấy ngày nay.
Alibaba
Có khả năng căng thẳng giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc về IP là lý do để các công ty công nghệ Trung Quốc chuyển sang mã nguồn mở.
Vào tháng 2021 năm XNUMX, Alibaba Cloud Intelligence công bố rằng họ sẽ sử dụng bộ xử lý RISC-V mã nguồn mở cho kiến trúc của họ.
Đây sẽ trở thành full-stack đầu tiên trên thế giới mã nguồn mở bộ xử lý loạt.
“RISC-V rất hấp dẫn vào thời điểm này vì là một giải pháp thay thế cho ISA đóng và tốn kém, ISA mở và miễn phí RISC-V giúp tăng tốc đổi mới bộ xử lý thông qua hợp tác tiêu chuẩn mở,” Yu Pu, trưởng nhóm sản phẩm của T-Head cho biết , một công ty bán dẫn và là công ty con thuộc sở hữu hoàn toàn của Alibaba.
SiFive
SiFive là một công ty bán dẫn được thành lập vào năm 2015 bởi Krste Asanović, Yunsup Lee và Andrew Waterman, ba nhà nghiên cứu từ Đại học California Berkeley.
Họ đã có thể tạo ra những con chip đầu tiên triển khai RISC-V ISA. Kể từ đó, họ đã có thể hợp tác với hơn 100 công ty để cải tiến thiết bị của họ với chip RISC-V.
Lõi SiFive của họ là giải pháp RISC ‑ V được triển khai bằng silicon nhiều nhất trên thế giới.
SiHive thậm chí còn cung cấp bộ mã hóa RISC-V dựa trên BBC Doctor Who, nhằm dạy trẻ em về lập trình và công nghệ IoT.
Sản phẩm này cho thấy sự hứa hẹn trong kiến trúc RISC-V sẽ sớm tiếp cận thị trường thiết bị tiêu dùng.
Cloud Computing
Kiến trúc RISC-V cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho đám mây. Một số công ty đã nhắm mục tiêu khối lượng công việc của trung tâm dữ liệu là ứng dụng có thể tiếp theo của RISC-V.
Mạng điện toán hiệu suất cao (HPC) đã sử dụng RISC-V để xử lý dữ liệu khi truyền dữ liệu.
Vì các máy chủ mất nhiều thời gian để sản xuất hơn các sản phẩm nhúng, nên sẽ mất một khoảng thời gian cho đến khi chúng tôi thấy toàn bộ máy chủ chạy trên RISC-V.
Kết luận
Cách chúng ta tương tác với internet được xây dựng trên nền tảng vững chắc của các tiêu chuẩn mở. Các thiết bị chúng tôi sử dụng cũng có thể tuân theo các tiêu chuẩn mở như thiết kế USB hoặc cách các thiết bị kết nối với nhau thông qua Wi-Fi và Bluetooth.
Các tiêu chuẩn mở này cho phép tất cả các thiết bị và ứng dụng của chúng tôi trở nên có nhiều chức năng hơn và có thể tương tác với nhau.
Các tiêu chuẩn mở như RISC-V sẽ ảnh hưởng đến cách chúng tôi thiết kế thiết bị của mình.
Nó sẽ trao quyền cho bất kỳ ai tạo ra những gì họ muốn mà không bị giới hạn bởi IP độc quyền. RISC-V được duy trì bởi một cộng đồng phát triển tích cực, minh bạch và hợp tác.
Tương lai của phần cứng mà chúng ta sử dụng trong các thiết bị của mình giờ đây không còn được quyết định sau những cánh cửa đóng kín, mà được quyết định một cách cởi mở, cho mọi người cùng tham gia.
Hãy chia sẻ bài viết này nếu bạn thấy nó sâu sắc. Đừng bỏ lỡ những tin tức mới nhất về AI, ML và công nghệ tương lai bằng cách đăng ký hàng tuần bản tin!
Bình luận