معماری RISC-V: چگونه شرکت ها آن را به سمت آینده سوق می دهند

RISC-V، با معماری مجموعه دستورالعمل های جایگزین (ISA) برای به چالش کشیدن تسلط x86 و ARM اخیرا در همه جا حضور داشته است. این شامل چندین اعلان‌های برجسته از کوالکام و گوگل و همچنین شکل‌گیری اخیر پروژه RISE (RISC-V Software Ecosystem) با پشتیبانی همه از Red Hat گرفته تا اینتل است. گوگل حتی اخیراً اعلام کرد که پشتیبانی بومی اندروید به RISC می آید.

شرکت‌های بزرگ پشت سر RISC-V متحد می‌شوند، و در حالی که هنوز مشخص نیست که آیا می‌تواند از پس هیاهوها برآید یا خیر، بسیاری از بازیگران جدی (از جمله برخی که ممکن است انتظار نداشته باشید) تراشه‌های خود را کنار می‌گذارند. مجموعه‌های دستورالعمل‌ها در حال شکل‌گیری هستند تا به یک میدان جنگ کلیدی برای فناوری در دهه آینده تبدیل شوند و RISC به سرعت در حال افزایش است.

مجموعه دستورالعمل چیست؟

قبل از اینکه به RISC-V بپردازیم، اجازه دهید در مورد مجموعه‌های دستورالعمل صحبت کنیم، که یکی از بلوک‌های اساسی معماری‌های CPU هستند و وظایفی را که یک CPU می‌تواند انجام دهد را تعریف می‌کند. این دستورالعمل ها از بسیار ساده، مانند ADD (افزودن مقادیر در دو رجیستر یا آدرس حافظه داده شده)، تا دستورالعمل های پیچیده تر برای امنیت یا مدیریت حافظه را شامل می شود.

یک مجموعه دستورالعمل تمام یا بخشی از یک ISA را پیاده سازی کرده که طیفی از دستورالعمل ها را به همراه ورودی ها و رفتار مورد انتظار آنها مشخص می کند. این معمولاً به عنوان رایانه های مجموعه دستورات کاهش یافته یا پیچیده (RISC و CISC) توصیف می شود. تفاوت بین این دو می‌تواند مشکل باشد، اما می‌توانید RISC را به‌عنوان تلاش برای ترکیب بسیاری از دستورالعمل‌های کوچک برای انجام سریع کارها (معمولاً در یک چرخه ساعت) تصور کنید، در حالی که CISC دستورالعمل‌های بسیار بیشتری با عملکرد بالاتر دارد که ممکن است بیشتر طول بکشد.

به طور معمول، یک CPU که تمام یا بخشی از x86 یک ISA را اجرا می کند، چند صد دستورالعمل را ارائه می دهد، در حالی که برای CPUهای RISC معمول است که زیر 100 را پیاده سازی کنند. اکثر ISAها به تعداد ثابتی از دستورالعمل ها در مجموعه دستورالعمل نهایی نیاز ندارند، در عوض یک طرح مدولار با چندین پسوند ارائه می دهند که به صورت اختیاری توسط سازندگان پیاده سازی شده است.

از آنجایی که یک مجموعه دستورالعمل اساساً ابزارهای موجود برای نرم‌افزار را تعریف می‌کند، تغییر آن می‌تواند دشوار باشد، زیرا ISA‌ها نیاز دارند که تمام نرم‌افزارهای در حال اجرا بر روی یک کامپیوتر برای یک ISA جدید بازسازی (یا کامپایل مجدد) شوند. این اغلب به تغییرات قابل توجهی در هر بیت از نرم افزار نیاز دارد و فرآیندی پرهزینه و وقت گیر است که نیاز به پشتیبانی قابل توجه توسعه دهنده دارد.

RISC-V چیست؟

RISC-V یک ISA است که برای اولین بار در Parallel Computing Laboratory at U.C برکلی در سال 2010 ایجاد شد. این یک ISA منبع باز بدون حق امتیاز بوده که برای رفع نیاز به پرداخت هزینه های مجوز، معمولاً به اینتل یا ARM طراحی شده است. در سال 2015، RISC-V آزمایشگاه را ترک کرد و بنیاد RISC-V با 36 عضو موسس راه اندازی شد.

این بعدها به RISC-V International تبدیل شد که تحت یک ساختار جدید سرمایه گذاری مبتنی بر عضویت، تحقیقات و مدیریت RISC-V را امروز ادامه می دهد. این بنیاد اکنون بیش از 100 عضو دارد و به طور مداوم رویدادهایی را در سراسر جهان برای حمایت از رشد RISC-V اجرا می کند. RISE در اوایل سال جاری با همکاری RISC-V و بنیاد لینوکس تأسیس شد و قبلاً از اینتل، مدیاتک، رد هت، کوالکام و گوگل و غیره پشتیبانی می‌کرد. RISE بر بهبود زنجیره‌های ابزار نرم‌افزاری برای حمایت از رشد RISC-V متمرکز است. جهت پروژه توسط یک کمیته راهبری فنی، مشابه سایر پروژه های بنیاد لینوکس تعیین می شود.

چه زمانی ممکن است RISC-V را در آینده ببینیم؟

دستگاه‌های RISC-V در حال حاضر در دسترس هستند، اگرچه عمدتاً در سیستم‌های تعبیه‌شده یا در دستگاه‌هایی که در بازار چین تولید یا هدف قرار گرفته‌اند. چین و روسیه اخیراً به شدت به RISC-V متمایل شده اند تا راهی برای تنوع بخشیدن به وابستگی به فناوری های غربی باشد. چندین لپ تاپ مبتنی بر RISC-V در علی بابا موجود است و بردهای توسعه RISC-V راه خود را به بازار غرب باز کرده اند.

شرکت چینی Sipeed بردهای توسعه مبتنی بر RISC-V را در قالب فاکتورهای مختلف از جایگزین های Steam Deck تا پایانه های لینوکس دستی ارائه می دهد و هواوی اولین کیت های توسعه مبتنی بر RISC-V خود را برای دستگاه های IoT مبتنی بر HarmonyOS در سال 2021 منتشر کرد. به همین ترتیب، اینتل در سال 2021 در دو مرکز ساخت جدید در آریزونا دست به کار شد و اعلام کرد ساخت دو کارخانه دیگر در اوهایو در سال 2025 آغاز خواهد شد.

اینتل در سال‌های اخیر برای احیای عملیات ریخته‌گری خود تلاش کرده و هجوم بزرگ تراشه‌های RISC-V می‌تواند به آنها کمک کند تا حجم این کارخانه‌های جدید مستقر در آمریکا را پر کنند. این قماری است که بسیاری از شرکت‌ها در حال انجام آن هستند، و در اوایل RISC-V غواصی می‌کنند تا از رها شدن و کسب تجربه در زمانی که RISC-V در مراحل ابتدایی خود است، خودداری کنند.

اما RISC-V کاملاً برای زمان بزرگ آماده نیست. در حالی که ARM می تواند گران باشد، فناوری آن به خوبی اصلاح شده است. ISAهای CISC در ابتدا محبوبیت پیدا کردند زیرا به مهندسان اولیه اجازه دادند تا ویژگی هایی را که برای محاسبات پیچیده تر مورد نیاز است به راحتی در CPUهای خود پیاده سازی کنند. با این حال، در طول دهه گذشته، طرح‌های مبتنی بر RISC آرم از نظر قابلیت و شایستگی رشد کرده‌اند، در حالی که به طور کلی گزینه‌ای با کارآمدتر انرژی باقی مانده‌اند.

در تئوری، CPUهای ARM و RISC-V باید عملکرد مشابهی داشته باشند. با این حال، پشتیبانی از نرم‌افزار ARM در حال حاضر گسترده است (با پردازنده‌های آن در حال حاضر از تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شود)، که به آن برتری اولیه نسبت به دستگاه‌های جدید RISC-V می‌دهد. این شروع، بخشی از دلیلی است که چرا RISC-V (هنوز) دستگاه‌های ARM را برای اکثر مصرف‌کنندگان به چالش نمی‌کشد، طبیعتاً با ایجاد بازاری برای دستگاه‌های کم مصرف و کم مصرف، از ARM پیروی می‌کند.

هدف قرار دادن بخش پایین بازار به RISC-V این امکان را می دهد که ابتدا پایگاهی از ابزار و پشتیبانی توسعه دهندگان ایجاد کند و همچنین بهره وری انرژی خود را در سطح سخت افزار و نرم افزار اصلاح کند. RISC-V International (و به طور گسترده، شرکت‌های عضو آن) اکنون کار بر روی انتقال محصولات به RISC-V را آغاز کرده‌اند، به این امید که با پیشرفت توسعه، پیاده‌سازی‌های قدرتمندتر و کم مصرف‌تر در دسترس قرار گیرند.