选择硬件有自由吗? 了解 RISC-V 如何为新的开源硬件运动铺平道路。
半导体行业的许多主要参与者都将其设计保留为专有,设备制造商需要支付许可费才能使用它们。
美国、中国大陆和台湾之间的贸易紧张局势给半导体供应链带来了挑战。 较小的设备制造商也在努力负担这些费用,而且进入门槛要高得多。
就像 Linux 等开源操作系统赋予开发人员权力的方式大致相同,新的开放标准可能会改变我们设计和制造当今运行世界的设备的方式。
在本指南中,我们将回顾 RISC 架构的历史,权衡该技术的优缺点,并深入探讨您今天可以找到的一些 RISC-V 应用。
但首先,要了解 RISC-V 为何如此令人兴奋,我们需要了解计算机是如何运行的。
什么是指令集?
指令集是指计算机设计用于在机器级别执行的一组操作。
将这些视为最基本的命令,例如加法、乘法、加载和存储数据。 指令集架构是计算机中最重要的接口,因为它划分了硬件和软件两个方面。
CPU 的指令集告诉我们 CPU 在其硬件设计的限制下可以做什么。
如果您要求 CPU 将两个位相加,它会确切地知道要做什么,因为硬件中内置了一个命令来容纳该指令。
复杂的操作,例如加载 YouTube 视频、播放 视频游戏,或发送推文涉及调用 CPU 指令集中的数百万个这些基本命令。
常见的指令集架构(ISA)包括 ARM 和 Intel 的 x86,前者是世界上使用最广泛的 ISA。
这些 ISA 是几十年前在专有许可下首次开发的。 在早些年,大多数硬件和软件都是专有的。
什么是 RISC?
在 1970 年代,计算机工程师倾向于专注于增加计算机体系结构的复杂性。
半导体技术发展迅速,能够执行大量指令。 这导致了一种称为 CISC 或复杂指令集计算机的计算机。
事实证明,大部分指令很少在实践中使用,例如在高级计算机语言中,例如 C. 加州大学伯克利分校的大卫帕特森和卡洛 Sequin 认为可以在低得多的情况下获得更好的性能通过简化处理器来降低成本。
通过降低复杂性,他们可以将剩余空间用于内存。 这个假设被称为 RISC,或精简指令集计算机。
RISC-I 项目最初是一个研究项目,旨在证明 RISC 计算机是可行的。 伯克利的学生可以创建一个只需要 31 条指令的设计。
芯片的控制和指令部分仅占硅片的 6%,而其他芯片会使用一半用于相同目的。 添加了寄存器以填充释放的空间。 这些寄存器允许芯片保存更多的工作内存。
RISC 架构在 1980 年代取得了商业上的成功。 然而,许多芯片很快就失宠了。 目前,基于 ARM 的处理器是最常见的 RISC 处理器,因为现代智能手机几乎完全使用 ARM 芯片。
什么是 RISC-V?
RISC-V 是指一种特定的开源指令集,旨在遵循 RISC 原则。 与大多数其他 ISA 设计不同,RISC-V ISA 不需要任何费用即可使用。
RISC-V 架构最初是作为加州大学伯克利分校的 Krste Asanović 的一个研究项目开始的,但后来邀请了来自世界各地的贡献者。
基于 RISC 的 CPU 具有一组简化的指令,只需一个时钟周期即可完成。 他们通过使用负载存储架构来以更快的性能换取复杂性。
这意味着指令只寻址寄存器,这比主存储器访问要快得多。
RISC-V 还支持高效的流水线结构,允许多条指令并行执行。
由于 RISC-V 是一个开放标准,任何人都可以将指令集用于自己的产品,这可能会引发开源硬件空间的一场革命。
主要特性
- 简单的指令集—— 缺少复杂的指令列表可以让指令更快地执行,并且更容易流水线化多条指令。
- 模块化 – RISC-V 有一个小型标准基础 ISA,并带有各种标准扩展。 这允许用户在构建自己的 RISC-V 芯片时只选择他们需要的部分。
- 可扩展性 – 可以通过扩展将特定功能添加到主 ISA。 这使用户能够在需要时创建自己的自定义指令。
- 开源IP—— RISC-V 是一个开放标准,这意味着任何想要使用这些设计的人都可以这样做,而不必担心许可费用。
- 加载存储架构 – 内存优先于使用寄存器的复杂性。
优点
- RISC-V 是一个开放标准,这意味着任何人都可以构建自己的芯片。
- 分层和可扩展的设计使创新成为可能。 任何人都可以实现指令集,并可以为定制处理器创建定制扩展。
- RISC-V 是可扩展的。 您始终可以在指令集中添加新功能。
- 由于 RISC-V 是开源的,任何人都可以参与寻找错误。
- RISC-V 使加速开发周期成为可能。 无需处理许可费用。
缺点
- 去中心化的性质使得发布补丁和更新变得困难。
- 市场存在碎片化的可能性。 由于任何人都可以设计自己的 RISC-V 芯片,因此确保 RISC-V 市场可能不具有相同的一致质量、安全性或互操作性将是一个挑战。
- 不能保证收养。 如果 RISC-V 技术继续只获得一小部分市场份额,那么投资于 RISC-V 技术可能会适得其反。
- 目前,RISC-V 的硬件支持仍然有限。
- 另一个问题是代码密度。 给定某个程序,编译的 RISC 指令集通常需要比编译为 CISC 时更多的字节。 这是因为它可能需要多个 RISC 指令来执行单个 CISC 命令。
RISC-V 的当前应用
RISC-V 是嵌入式应用的理想选择。 这些用例需要将软件永久放置在设备中以执行一组指定的指令。
想想物联网生态系统或汽车应用程序和计算机控制器中的设备。
以下是您今天可以找到的 RISC-V 架构的一些应用程序。
阿里巴巴
中美之间在知识产权问题上的紧张关系很可能让中国科技公司有理由转向 开放源码.
2021年XNUMX月,阿里云智能 公布 他们将在其架构中使用开源 RISC-V 处理器。
这些将成为世界上第一个全栈 开放源码 系列处理器。
“RISC-V 在这个时间点非常有吸引力,因为作为封闭且昂贵的 ISA 的替代方案,开放和免费的 ISA RISC-V 通过开放标准协作加速处理器创新,”T-Head 产品负责人 Yu Pu 说,一家半导体公司,是阿里巴巴的全资子公司。
SiFive
SiFive 是一家半导体公司,由加州大学伯克利分校的三位研究人员 Krste Asanović、Yunsup Lee 和 Andrew Waterman 于 2015 年创立。
他们能够制造出第一批实现 RISC-V ISA 的芯片。 从那时起,他们已经能够与 100 多家公司合作,使用 RISC-V 芯片改进他们的设备。
他们的 SiFive 内核是世界上硅部署最多的 RISC‑V 解决方案。
SiHive 甚至提供了一个基于 BBC Doctor Who 的 RISC-V 编码工具包,旨在教孩子们编程和物联网技术。
该产品显示了 RISC-V 架构的前景,即将进入消费设备市场。
云计算
RISC-V 架构也可用于为云提供动力。 一些公司已经瞄准 数据中心工作负载 作为 RISC-V 的下一个可能应用。
高性能计算 (HPC) 网络已经在使用 RISC-V 来处理传输中的数据。
由于服务器比嵌入式产品需要更长的时间来生产,因此我们需要一些时间才能看到整个服务器在 RISC-V 上运行。
结论
我们与互联网交互的方式建立在开放标准的坚实基础之上。 我们使用的设备也可能遵循开放标准,例如 USB 设计或设备之间的连接方式 通过 无线网络和蓝牙。
这些开放标准使我们所有的设备和应用程序变得更具功能性和互操作性。
RISC-V 等开放标准将影响我们设计设备的方式。
它将使任何人都可以创造他们想要的东西,而不必受到专有 IP 的限制。 RISC-V 由一个活跃的开发社区维护,该社区本质上是透明和协作的。
我们在设备中使用的硬件的未来现在不再是闭门造车,而是公开决定,让每个人都参与其中。
如果您觉得这篇文章有见地,请分享这篇文章。 订阅我们的,不要错过 AI、ML 和未来技术的最新消息 周报!
发表评论