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 dưới mui xe là độc quyền. RISC-V là một dự án bộ xử lý nguồn mở đang nhanh chóng đạt được thành công và hứa hẹn sẽ thay đổi cục diện điện toán.
Một giải pháp thay thế cho các thiết kế của Intel và ARM
Hiện tại, hai thiết kế bộ xử lý thống trị tối cao: thiết kế do ARM và Intel x86 tạo ra. Mặc dù cả hai công ty đều hoạt động trên quy mô lớn, 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, những người sau đó bổ sung các cải tiến của riêng họ. Trong khi Samsung có cơ sở hạ tầng để tự sản xuất bộ vi xử lý của mình, thì Qualcomm (và các nhà thiết kế “không tưởng” khác) lại thuê ngoài 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 thỏa thuận không tiết lộ được thiết kế để giữ kín các khía cạnh của thiết kế chip. Điều này hầu như không đáng ngạc nhiên vì toàn bộ mô hình kinh doanh không dựa trên sản xuất mà dựa trên sở hữu trí tuệ.
Trong khi đó, Intel đã khóa các bí mật thiết kế thương mại của riêng mình. Vì cả hai loại bộ xử lý đều là thương mại nên rất khó (nếu không muốn nói là không thể) để các nhà khoa học mã nguồn mở và tin tặc tác động đến thiết kế.
RISC-V khác nhau như thế nào?
RISC-V thì hoàn toàn khác. Đầu tiên, nó không phải là một công ty. Nó được hình thành lần đầu tiên vào năm 2010 bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley như một giải pháp thay thế nguồn mở, miễn phí bản quyền cho các nhà khai thác hiện có.
Điều này tương tự như việc cài đặt Linux thay vì OS Windowsvì vậy bạn không phải mua bất cứ thứ gì hoặc đồng ý với các thỏa thuận cấp phép phức tạp. RISV-V nhằm mục đích làm điều tương tự cho nghiên cứu và thiết kế chất bán dẫn.
ARM cũng cấp phép cho Kiến trúc tập lệnh (ISA), đề cập đến các lệnh mà CPU có thể hiểu được một cách tự nhiên và kiến trúc vi mô, cho thấy cách nó có thể được triển khai.
RISC-V chỉ cung cấp ISA, cho phép các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất chỉ định cách họ muốn sử dụng nó. Điều này làm cho nó có thể mở rộng cho các thiết bị thuộc mọi băng tần, từ chip 16-bit công suất thấp cho hệ thống nhúng đến bộ xử lý 128-bit cho siêu máy tính.
Đúng như tên gọi, RISC-V sử dụng các nguyên tắc của máy tính có tập lệnh rút gọn (RISC), giống như các chip dựa trên thiết kế ARM, MIPS, SPARC và Power.
Nó có nghĩa là gì? Chà, cốt lõi của bất kỳ bộ xử lý máy tính nào là những thứ được gọi là hướng dẫn. Nói một cách đơn giản, chúng là những chương trình nhỏ được trình bày trong phần cứng để báo cho bộ xử lý biết phải làm gì.
Chip dựa trên bộ xử lý RISC có xu hướng có ít hướng dẫn hơn so với chip sử dụng thiết kế máy tính có tập lệnh phức tạp (CISC), chẳng hạn như chip do Intel cung cấp. Ngoài ra, bản thân các hướng dẫn 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 thiết kế chip hiệu quả hơn nhiều. Nhược điểm là các tác vụ tương đối phức tạp này không được thực hiện bởi bộ xử lý. Thay vào đó, chúng được phần mềm chia thành nhiều hướng dẫn nhỏ hơn.
Do đó, RISC có biệt danh là Chuyển những nội dung quan trọng sang trình biên dịch. Mặc dù điều đó nghe có vẻ là một điều tồi tệ, nhưng không phải vậy. Tuy nhiên, để hiểu điều này, 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 được tạo thành từ hàng tỷ thành phần nhỏ gọi là bóng bán dẫn. Đối với chip dựa trên CISC, nhiều bóng bán dẫn này đại diện cho các hướng dẫn có sẵn khác nhau.
Vì chip RISC có ít hướng dẫn hơn, đơn giản hơn nên bạn không cần nhiều bóng bán dẫn. Điều này có nghĩa là bạn có nhiều chỗ hơn cho rất nhiều điều thú vị. Ví dụ: bạn có thể bao gồm nhiều thanh ghi bộ nhớ đệm và bộ nhớ hơn hoặc chức năng bổ sung cho AI và xử lý đồ họa.
Bạn cũng có thể giảm kích thước chip 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 đứng đầu các dự án nghiên cứu thiết kế bộ xử lý RISC đầu tiên, nói rằng RISC-V được thiết kế để giải quyết những hạn chế sắp xảy ra về hiệu năng của bộ xử lý có thể đạt được thông qua các cải tiến sản xuất.
Càng nhiều bóng bán dẫn bạn có thể lắp vào một con chip, bộ xử lý càng trở nên hiệu quả 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 nỗ lực để giảm kích thước 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 10.000 nanomet (xấp xỉ. 0.01mm). Nhỏ, chắc chắn, nhưng không giống như bộ xử lý Apple A14 Bionic, ra mắt 40 năm sau. Con chip này (cung cấp sức mạnh cho iPad Air mới) có 11,8 tỷ bóng bán dẫn, mỗi bóng bán dẫn có đường kính 5 nanomet.
Năm 1965, Gordon E. Moore, đồng sáng lập Intel, đưa ra giả thuyết rằng số lượng bóng bán dẫn có thể đặt trên một con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm.
“Độ phức tạp của chi phí linh kiện tối thiểu đã tăng với tốc độ khoảng hai lần một năm,” Moore viết trong Lễ kỷ niệm 35 năm của Tạp chí Điện tử. “Chắc chắn trong ngắn hạn, tỷ lệ này có thể sẽ tiếp tục, nếu không muốn nói là tăng lên. Trong dài hạn, tốc độ tăng trưởng không chắc chắn hơn một chút, mặc dù không có lý do gì để tin rằng nó sẽ không duy trì gần như không đổi trong ít nhất 10 năm.”
Định luật Moore dự kiến sẽ hết hiệu lực trong thập kỷ này. Cũng có những nghi ngờ nghiêm trọng 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 cho cả cấp độ khoa học và kinh tế cơ bản.
Rốt cuộc, các bóng bán dẫn nhỏ hơn phức tạp hơn nhiều và đắt hơn để sản xuất. Ví dụ, TSMC đã chi hơn 17 tỷ đô la cho nhà máy của mình để tạo ra chip 5 bước sóng Với bức tường gạch này, Rủi ro-V nhằm mục đích giải quyết vấn đề hiệu suất bằng cách tìm kiếm các cách ngoài việc giảm 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 lợi nhuận thương mại nhanh chóng theo sau. 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. Tổ chức lưu ý trên trang web của mình: “RISC-V ISA dựa trên các khái niệm kiến trúc máy tính có từ ít nhất 40 năm trước.”
Tuy nhiên, bước đột phá là mô hình kinh doanh – hoặc thiếu nó. Đây là những gì đưa dự án vào thử nghiệm, phát triển và có khả năng tăng trưởng không giới hạn. Như Tổ chức RISC-V cũng lưu ý trên trang web của mình:
“Sự quan tâm là bởi vì đó là một tiêu chuẩn mở và miễn phí phổ biến mà phần mềm có thể được chuyển sang và cho phép mọi người tự do tạo phần cứng của riêng họ để chạy phần mềm.”
Tại thời điểm viết bài này, các chip RISC-V chủ yếu hoạt động ở hậu trường trong các hệ thống máy chủ và dưới dạng các bộ vi điều khiển. Thời gian sẽ cho biết liệu có khả năng nào làm lung lay thế độc quyền của ARM/Intel ISA trong không gian tiêu dùng hay không.
Tuy nhiên, nếu những người có mặt vẫn trì trệ, có khả năng một con ngựa ô có thể phi nước đại và thay đổi mọi thứ.
