Δεν υπάρχει αμφιβολία για τον ενθουσιασμό που περιβάλλει την εισαγωγή της αρχιτεκτονικής επεξεργαστή RISC-V. Ωστόσο, ενώ πολλοί το έχουν αποκαλέσει ως προάγγελο ενός πολύ ευρύτερου κινήματος υλικού ανοιχτού κώδικα, οι λόγοι πίσω από την επιτυχία του δεν είναι προφανείς και οι συνέπειες για την επέκταση περισσότερων πυρήνων ανοιχτού κώδικα δεν είναι καθόλου βέβαιες.
«Η υιοθέτηση του RISC-V ως προτιμώμενης αρχιτεκτονικής για πολλούς προγραμματιστές πυριτίου έχει ξεκινήσει ένα παλιρροϊκό κύμα καινοτομίας στην κοινότητα ανάπτυξης υλικού», λέει ο Stephano Cetola, διευθυντής τεχνικών προγραμμάτων στο RISC-V International. «Οι σχεδιαστές παίρνουν τώρα τα σχέδιά τους που βασίζονται σε RISC-V και κινούνται προς πραγματικές εφαρμογές σε μια ποικιλία βιομηχανιών».
Δεν είναι η πρώτη φορά που μια υλοποίηση νέου επεξεργαστή, ή αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (ISA), τίθεται σε δημόσιο τομέα. Η βιομηχανία είναι γεμάτη από αυτά, συμπεριλαμβανομένων των OpenPOWER, OpenSPARC, OpenRISC και πολλών άλλων. Ενώ το καθένα έχει αποκτήσει ένα ορισμένο επίπεδο πρόσφυσης, όλα είναι ωχρά σε σύγκριση με την επιτυχία του RISC-V σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.
Όταν μιλάτε με άτομα στην κοινότητα RISC-V, υπάρχουν δύο λέξεις που επαναλαμβάνονται συχνά — δωρεάν και ελευθερία. Μερικοί άνθρωποι θέλουν πυρήνες που είναι ελεύθεροι, ενώ άλλοι θέλουν την ελευθερία να κάνουν με τους πυρήνες ό,τι θέλουν. Για αυτούς τους ανθρώπους, το δωρεάν είναι σχεδόν ασήμαντο γιατί θα ξοδέψουν πολλά για να πάρουν αυτό που θέλουν.
Μια αγορά που αλλάζει
Η άνοδος του RISC-V συμπίπτει με μερικά άλλα γεγονότα στον κλάδο. Το πρώτο είναι η επιβράδυνση του νόμου του Moore, που σημαίνει ότι οι αυξήσεις στη συνολική επεξεργαστική ισχύ δεν έρχονται πλέον μαζί με κάθε νέο κόμβο κατασκευής. Το δεύτερο είναι η μετέωρη άνοδος της μηχανικής μάθησης, που απαιτεί τεράστιες αυξήσεις στην επεξεργαστική ισχύ. Είναι, λοιπόν, θέμα του κατάλληλου τόπου, της κατάλληλης στιγμής;
Η αντίληψη γύρω από τους επεξεργαστές έχει αλλάξει. «Το RISC-V έχει τροφοδοτηθεί από τις απαιτήσεις για ελευθερία στην κοινότητα της διαδικασίας σχεδιασμού υλικού», λέει ο Simon Davidmann, ιδρυτής και Διευθύνων Σύμβουλος της Imperas Software. «Τα ηλεκτρονικά προϊόντα ορίζονται από τη λειτουργικότητά τους, πολλά από τα οποία ορίζονται από λογισμικό, το οποίο εκτελείται σε επεξεργαστές. Όλα χρειάζονται κάποια μορφή μηχανικής μάθησης σήμερα. Δεν έχει σημασία αν μιλάμε για το τηλέφωνό σας, για τη λήψη καλύτερων φωτογραφιών, ό,τι κι αν είναι, χρειάζονται τεράστιες ποσότητες υπολογιστών. Και αυτό που οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν είναι ότι χρειάζονταν πολλούς επεξεργαστές. Χρειάζονταν τα δικά τους υφάσματα επεξεργαστών. Πρέπει να τα διαμορφώσετε όπως θέλετε. Οι τεχνολογίες εκτός ραφιού δεν σας βοηθούν». Υπάρχει λοιπόν μια αλλαγή στην αγορά ηλεκτρονικών προϊόντων που λέει: «Χρειαζόμαστε ελευθερία να σχεδιάσουμε τα τσιπ και ελευθερία να σχεδιάσουμε τους επεξεργαστές και την δομή των επεξεργαστών που ζουν σε αυτά τα τσιπ».
Όλα αυτά πρέπει να εξεταστούν στο πλαίσιο μιας νέας γενιάς εταιρειών συστημάτων που εισέρχονται στην αγορά, η καθεμία με μοναδικές οικονομικές δικαιολογίες. Αλλά ένα κοινό πράγμα που έχουν αυτές οι εταιρείες συστημάτων είναι ότι δεν προσπαθούν να πουλήσουν τα τσιπ που αναπτύσσουν. Αντίθετα, πωλούν υπηρεσίες που κατά κάποιο τρόπο τροφοδοτούνται από αυτά τα προϊόντα. Δεν υπάρχουν κατάλληλα προϊόντα που μπορούν να αγοράσουν από τη διαθέσιμη αγορά, και έτσι είναι έτοιμοι να αναπτύξουν οι ίδιοι μάρκες, ενώ παράλληλα τροφοδοτούν ορισμένες από τις απαραίτητες καινοτομίες μέσω της συνεισφοράς και της συνεργασίας. Σε αυτό το σενάριο, το RISC-V παίζει σημαντικό ρόλο.
Τι κάνει το RISC-V διαφορετικό
Το RISC-V δημιουργεί καινοτομίες σε πολλούς τομείς και οι λόγοι επιτυχίας σε καθέναν είναι διαφορετικοί. Για να γίνει κατανοητό αυτό, είναι απαραίτητο να διαχωρίσουμε διάφορες πτυχές της επιτυχίας του RISC-V. Πρώτα είναι η ίδια η αρχιτεκτονική. Δεύτερον είναι η πληθώρα εφαρμογών ανοιχτού κώδικα της αρχιτεκτονικής που διατίθενται. Μια τρίτη περιοχή είναι οι πυρήνες υποστήριξης που γίνονται διαθέσιμοι για να περιβάλλουν τον πυρήνα του επεξεργαστή. Και τέλος, υπάρχουν τα απαραίτητα εργαλεία για να βοηθήσουν στην υλοποίηση και την επαλήθευση ενός επεξεργαστή RISC-V.
Αρχικά δημιουργήθηκε για να εξυπηρετήσει μια συγκεκριμένη ανάγκη. «Τώρα έχει σημαντικούς πόρους πίσω του», λέει ο Davidmann του Imperas. «Αρχικά, βγήκε από πανεπιστήμια, ακαδημαϊκούς, έξυπνους ανθρώπους στα πανεπιστήμια, χτίζοντας ένα καλό πράγμα. Βγαίνοντας από το Berkeley στη μέση της Silicon Valley, κέρδισε κάποια δυναμική από ανθρώπους και απόφοιτους του Berkeley. Η ορμή χτίστηκε πολύ περισσότερο από το OpenRISC. Τα πανεπιστήμια το χρειάζονταν και το καθοδήγησαν».
Το RISC-V είναι πλέον ένας ανοιχτού προτύπου ISA, που βγήκε από το UC Berkeley, με έναν μη κερδοσκοπικό οργανισμό του κλάδου να το φροντίζει – το RISC-V International. Πολλά πανεπιστήμια δημιούργησαν ανοιχτούς πυρήνες, όπως οι πυρήνες Rocket από το Berkeley, το Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης (ETH Zurich) με την πλατφόρμα PULP και πολλά άλλα. Σήμερα, υπάρχουν πολυάριθμες ομάδες συνεργασίας του κλάδου, που φέρνουν κοντά τη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό κόσμο, δημιουργώντας πυρήνες ανοιχτού κώδικα και τους καθιστούν διαθέσιμους στην ευρύτερη κοινότητα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το CHIPS Alliance και το OpenHW Group.
Πολλές χώρες έχουν δημιουργήσει πρωτοβουλίες που ικανοποιούν τις τοπικές ανάγκες. Η Ινδία έχει το πρόγραμμά της Shakti, που απομακρύνθηκε από το IIT Madras. Στο Ισραήλ, η κοινοπραξία GenPro φέρνει κοντά τη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό κόσμο. Άλλα παρόμοια προγράμματα υπάρχουν στην Ιαπωνία και την Κίνα, όπου κατασκευάζουν πυρήνες RISC-V ως ανοιχτού κώδικα, προκειμένου να τους καταστήσουν διαθέσιμους στις κοινότητές τους και για τα συγκεκριμένα ενδιαφέροντά τους.
Είναι ένα μεγάλο άλμα από ένα ανοιχτό ISA σε επεξεργαστές ανοιχτού κώδικα. «Η έννοια της IP ανοιχτού κώδικα είναι πολύ δελεαστική, επειδή φέρνει στο νου την έννοια της δωρεάν IP», λέει ο Andy Jaros, αντιπρόεδρος πωλήσεων και μάρκετινγκ στη Flex Logix. «Ωστόσο, ο ανοιχτός κώδικας δεν είναι δωρεάν. Οι περισσότερες εταιρείες, εκτός και αν θέλουν να επενδύσουν τεράστιους πόρους για την ανάπτυξη IP, αδειοδοτούν προ-εφαρμοσμένους πυρήνες RISC-V από μυριάδες παρόχους IP, όπως το Open5, οι Andes και πολλοί άλλοι. Αυτό εξοικονομεί χρόνο ανάπτυξης, επαλήθευσης, ανάπτυξης λογισμικού κ.λπ., καθώς και εγγυήσεων και αποζημιώσεων».
Η ύπαρξη πολλών εταιρειών που αναπτύσσουν ανταγωνιστικούς πυρήνες ενισχύει την καινοτομία στην υλοποίηση. «Η πραγματική αξία του RISC-V είναι ότι παρέχει ανταγωνισμό στο Arm, όχι επειδή είναι ανοιχτού κώδικα», προσθέτει ο Jaros. «Υπάρχουν πολλοί βασικοί πάροχοι RISC-V που δίνουν επιλογές στην αγορά και ενισχύουν τον ανταγωνισμό. Με το ARM, μπορείτε να αποκτήσετε πυρήνες βραχίονα μόνο από το ARM».
Ένας άλλος κινητήριος παράγοντας είναι ο ταχέως αυξανόμενος αριθμός πυρήνων, και αυτό καθιστά λιγότερο επιθυμητή την πληρωμή δικαιωμάτων εκμετάλλευσης βάσει περιπτώσεων. «Οι άνθρωποι ήθελαν επεξεργαστές σε όλα τα σχέδιά τους», λέει ο Davidmann. «Θέλουν πολλούς μικρούς επεξεργαστές και οι υπάρχοντες όροι αδειοδότησης ήταν αρκετά δύσκολοι. Ήταν ακριβό, σίγουρα, αλλά το πιο σημαντικό, ήταν περιορισμένη από την άποψη της ελευθερίας αλλαγής. Δεν πιστεύω ότι η επιτυχία του RISC-V οφείλεται στο ότι είναι φθηνό ή χαμηλότερο κόστος. Εάν θέλετε απλώς να κάνετε το ίδιο που μπορείτε να κάνετε με έναν πυρήνα βραχίονα, πρέπει οπωσδήποτε να αγοράσετε έναν πυρήνα βραχίονα επειδή είναι τόσο καλά επαληθευμένος. Είναι τόσο καλά σχεδιασμένο. είναι ακριβώς αυτό που θέλετε. Ο μόνος λόγος για τη χρήση του RISC-V είναι επειδή θέλετε την ελευθερία να το αλλάξετε και να προσθέσετε τα δικά σας πράγματα σε αυτό».
Ακόμη και με όλα αυτά, το RISC-V πιθανότατα θα ήταν επιτυχημένο χωρίς την ανάπτυξη ενός οικοσυστήματος που το περιβάλλει. «Η κοινότητα ανοιχτού κώδικα ανέπτυξε βασικά εργαλεία που είναι ζωτικής σημασίας για να κάνουν τους επεξεργαστές που βασίζονται σε RISC-V πανταχού παρόντες, όπως κιτ σχεδίασης διαδικασιών τεχνολογίας chip, σουίτες επαλήθευσης σχεδίασης, εργαλεία υλοποίησης και πολλά άλλα», λέει o Cetola της RISC-V International. «Αυτό επέτρεψε επίσης τον εκδημοκρατισμό του σχεδιασμού VLSI με την ανάπτυξη γλωσσών περιγραφής σχεδιασμού υψηλότερου επιπέδου και εξελιγμένων εργαλείων αυτοματισμού ανοιχτού κώδικα για την επιτάχυνση της ανάπτυξης του σχεδιασμού, οδηγώντας τις δυνατότητες του RISC-V ακόμη πιο μακριά. Με τα εργαλεία σχεδιασμού και τις αλυσίδες εργαλείων, το RISC-V θα γίνει σύντομα πανταχού παρόν».
Διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής
Μπορεί αυτή η δυναμική ανοιχτού κώδικα να επεκταθεί πέρα από τον πυρήνα του επεξεργαστή; Ο επεξεργαστής είναι ένα μικρό κομμάτι ενός πλήρους SoC. Χρειάζεται επίσης ελεγκτές μνήμης και διασυνδέσεις μνήμης, USB, PCI και πολλά άλλα. Αυτοί οι πυρήνες δεν παρέχουν καμία διαφοροποίηση σε ένα προϊόν και πολλοί άνθρωποι θα ήθελαν να είναι επίσης ανοιχτού κώδικα.
Το πρόβλημα είναι ότι αυτοί οι πυρήνες είναι πολύ περίπλοκοι και περιέχουν αναλογικά κομμάτια, τα οποία τείνουν να σχεδιάζονται και να εφαρμόζονται κατά παραγγελία για κάθε τεχνολογία χυτηρίου και διεργασίας. Ενώ οι ελεγκτές θα μπορούσαν να κατασκευαστούν με τρόπο ανοιχτού κώδικα, μπορούν να προβληθούν επιχειρήματα ότι η μη στενή ενοποίηση των ψηφιακών και αναλογικών μερών μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλής ποιότητας προϊόντα.
Το LowRISC είναι ένας οργανισμός που έχει δημιουργηθεί στο Ηνωμένο Βασίλειο. Αρχικά ήθελε να δημιουργήσει ένα σύστημα ανοιχτού κώδικα που ήταν το αντίστοιχο του Raspberry Pi. Σήμερα, αναπτύσσει τόσο υλικό όσο και λογισμικό σε ένα πλήρως συνεργατικό πλαίσιο. Αυτό περιλαμβάνει πυρήνες RISC-V και την υποδομή μεταγλώττισης λογισμικού για την υποστήριξή του.
Πιο πρόσφατα, η Google δημιούργησε μια προδιαγραφή και μια IP για τη ρίζα εμπιστοσύνης πυριτίου. Ανοιχτού κώδικα αυτό το έργο και έχει εμπιστευθεί τη lowRISC για τη διαχείριση του. Μέρος της εστίασης εδώ ήταν ότι το να είσαι ανοιχτός και διαφανής βελτιώνει τελικά την ασφάλεια και την αξιοπιστία, παρά την ικανότητα τροποποίησης των προδιαγραφών.
Το RISC-V επέτρεψε και προώθησε την καινοτομία. Ενώ το δωρεάν μπορεί να είναι σημαντικό για ένα τμήμα του κλάδου, το πραγματικό κλειδί είναι η ελευθερία. Αυτή η ελευθερία έχει συγκεντρώσει ανθρώπους, εταιρείες και οργανισμούς με ομοϊδεάτες για να ανοίξουν νέους δρόμους. Είναι λιγότερο πιθανό να οδηγήσει σε επέκταση σε πλάτος παρά σε επέκταση βάθους. Ενώ τα πρόσθετα μπλοκ υλικού μπορεί να είναι ανοιχτού κώδικα, ίσως το πιο σημαντικό κέρδος θα είναι η δυνατότητα γρήγορης λήψης μιας ανοιχτής προδιαγραφής για έναν επεξεργαστή και εφαρμογής της.
Τα εργαλεία που στόχευαν την ανάπτυξη και την επαλήθευση επεξεργαστών εξαφανίστηκαν όταν οι μηχανικοί σταμάτησαν να αναπτύσσουν τους δικούς τους προσαρμοσμένους επεξεργαστές, επειδή κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980 παρείχαν ελάχιστη έως καθόλου διαφοροποίηση. Τώρα που οι επεξεργαστές έχουν διαφοροποιηθεί ξανά σε μεγάλο βαθμό, η βιομηχανία συνεργάζεται για την ανάπτυξη των απαραίτητων εργαλείων. Ένα ακόμη αναπάντητο ερώτημα είναι εάν θα μπορέσουν να δημιουργήσουν εργαλεία ανοιχτού κώδικα γρηγορότερα από ό,τι μπορεί να τους παρέχει η βιομηχανία EDA.
Πηγές άρθρου:
https://venturebeat.com/ai/how-risc-v-has-become-a-viable-third-processor-architecture-calista-redmond/
https://www.institutmontaigne.org/en/analysis/chinas-semiconductor-industry-promises-risc-v-open-source-architecture
https://bell-sw.com/announcements/2022/05/18/what-is-risc-v-and-when-is-the-java-port-coming/
