RISC-V: از یک پروژه دانشگاهی تا سیلیکون سازمانی — معماری متن‌باز چه تأثیری بر صنعت تراشه دارد؟ | IRCNF - Intelligent Reliable Custom Next-gen Frameworks

در سال ۲۰۱۰، تیمی در UC Berkeley تصمیم گرفتند یک معماری مجموعه دستورالعمل‌ها طراحی کنند که بتوانند در تحقیقات دانشگاهی از آن استفاده کنند بدون اینکه گرفتار پیچیدگی‌های لایسنس ARM یا x86 شوند. نتیجه RISC-V بود — که «ریسک فایو» تلفظ می‌شود — یک ISA تمیز و مینیمال که در دامنه عمومی منتشر شد. شانزده سال بعد، RISC-V International بیش از ۴۰۰۰ عضو سازمانی دارد، این معماری برای همه چیز از میکروکنترلرهای embedded تا محاسبات با کارایی بالا تصویب شده، و به کانونی در ژئوپلیتیک استقلال نیمه‌هادی تبدیل شده است.

RISC-V دقیقاً چیست؟

ISA رابط بین سخت‌افزار و نرم‌افزار را تعریف می‌کند: مجموعه دستورالعمل‌هایی که پردازنده می‌فهمد، نحوه چیدمان رجیسترها، مدل حافظه. x86 اینتل و ARM شرکت ARM Holdings ISAهای غالب برای سرورها/PCها و موبایل/embedded هستند. هر دو اختصاصی هستند. استفاده از ARM نیاز به لایسنس از ARM Holdings دارد؛ آن لایسنس هزینه دارد و با محدودیت‌های استفاده همراه است. RISC-V هیچ مالکی ندارد. هرکسی می‌تواند آن را پیاده‌سازی کند، تغییر دهد و محصولات مبتنی بر آن را بدون پرداخت حق امتیاز یا اجازه گرفتن عرضه کند.

RISC-V یک تراشه نیست. یک مشخصات است — سندی که توضیح می‌دهد پردازنده باید از چه دستورالعمل‌هایی پشتیبانی کند. مجموعه دستورالعمل‌های پایه عدد صحیح (RV32I یا RV64I برای ۳۲ بیت و ۶۴ بیت) عمداً مینیمال است. افزونه‌ها عملیات ممیز شناور (F, D)، عملیات اتمی (A)، دستورالعمل‌های فشرده (C)، پردازش برداری (V) و موارد دیگر را اضافه می‌کنند. پردازنده‌ای که RV64GC را پیاده‌سازی می‌کند — رایج‌ترین پیکربندی برای پردازنده‌های کاربردی — از مجموعه پایه به اضافه افزونه‌های عمومی و دستورالعمل‌های فشرده پشتیبانی می‌کند.

RISC-V کجاها اجرا می‌شود؟

تصویر استقرار گسترده‌تر از چیزی است که بیشتر مردم تصور می‌کنند. ESP32-C3 اسپرسیف، یک تراشه وای‌فای و بلوتوث که در بی‌شمار دستگاه IoT و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شود، از یک پردازنده تک‌هسته‌ای RISC-V استفاده می‌کند. قیمت این تراشه تقریباً یک دلار در حجم بالا است و سالانه صدها میلیون واحد عرضه می‌شود. وسترن دیجیتال از هسته‌های سفارشی RISC-V در کنترلرهای SSD و هارد دیسک‌های خود استفاده می‌کند — استقراری با بیش از یک میلیارد هسته. میکروکنترلرهای GPU انویدیا از نسل‌های تورینگ در سال ۲۰۱۸ از هسته‌های اختصاصی Falcon به RISC-V مهاجرت کردند.

گوگل در اواخر ۲۰۲۳، RISC-V را به عنوان ABI پشتیبانی شده در اندروید ۱۳ اضافه کرد، اولین گام برای اجرای اندروید روی پردازنده‌های کاربردی RISC-V. هسته لینوکس از سال ۲۰۱۷ از RISC-V در mainline پشتیبانی می‌کند. GCC، LLVM/Clang و Rust همگی اهداف بالغ RISC-V دارند. اکوسیستم ابزارها، که پنج سال پیش ضعیف‌ترین نقطه بود، اکنون به طور قابل توجهی بالغ شده است.

برای سیلیکون قدرتمندتر، SiFive — یک استارتاپ آمریکایی که هسته‌های تجاری RISC-V می‌سازد — خانواده‌های P870 و X280 را برای edge computing و در نهایت بارهای کاری سرور سطح ابتدایی تولید کرده است. بخش T-Head علی‌بابا در سال ۲۰۲۱ هسته XuanTie C910 خود را متن‌باز کرد، یک پیاده‌سازی ۶۴ بیتی با کارایی بالا از RISC-V که علی‌بابا در داخل استفاده می‌کند و به بیرون لایسنس می‌دهد. چندین کامپیوتر تک‌بردی RISC-V — مانند StarFive VisionFive 2 و Milk-V Pioneer — اکنون محیط کامل دسکتاپ لینوکس را اجرا می‌کنند.

شتاب‌دهنده ژئوپلیتیکی

منحنی پذیرش RISC-V پس از سال ۲۰۲۰ به شدت تندتر شد، زمانی که کنترل‌های صادراتی آمریکا شروع به محدود کردن صادرات فناوری نیمه‌هادی به چین کردند. ARM Holdings، یک شرکت بریتانیایی اما با فناوری طراحی شده در آمریکا در هسته‌های خود، با عدم قطعیت درباره ادامه لایسنس‌های خود به شرکت‌های چینی مواجه شد. هواوی به طور ویژه پس از اینکه آمریکا عملاً آن را از استفاده از پیشرفته‌ترین هسته‌های ARM منع کرد، سرمایه‌گذاری در جایگزین‌های RISC-V را تسریع بخشید.

چین اکنون سهم قابل توجهی از فعالیت توسعه RISC-V در جهان را تشکیل می‌دهد. T-Head علی‌بابا، ISCAS (موسسه فناوری محاسبات آکادمی علوم چین)، StarFive و ده‌ها شرکت کوچک‌تر در حال عرضه سیلیکون RISC-V هستند. دولت چین توسعه RISC-V را در برنامه‌های خودکفایی نیمه‌هادی خود گنجانده است. ماهیت باز RISC-V به این معناست که کنترل‌های صادراتی آمریکا نمی‌توانند دسترسی به خود مشخصات ISA را مسدود کنند — فقط به پیاده‌سازی‌های خاص یا اجزای زنجیره ابزار از شرکت‌های آمریکایی.

این یک پویایی جالب ایجاد کرده است: RISC-V International، که مشخصات را مدیریت می‌کند، اعضایی از هر دو آمریکا و چین دارد. مشخصات به صورت مشترک توسعه می‌یابد. پیاده‌سازی‌های رقابتی جدا از هم هستند.

افزونه برداری و بارهای کاری هوش مصنوعی

افزونه V (بردار) RISC-V در سال ۲۰۲۱ تصویب شد و اکنون در سخت‌افزار چندین پردازنده از جمله T-Head C910 و X280 سی‌فایو پشتیبانی می‌شود. پردازش برداری امکان موازی‌سازی به سبک SIMD را برای عملیاتی مانند ضرب ماتریس — محاسبه اصلی در استنتاج شبکه عصبی — فراهم می‌کند. این باعث می‌شود RISC-V برای شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی edge، که یک بازار رو به رشد بزرگ است، مرتبط باشد.

چندین استارتاپ تراشه‌های استنتاج هوش مصنوعی مبتنی بر هسته‌های برداری RISC-V می‌سازند، دقیقاً به این دلیل که ISA باز به آنها کنترل کامل بر ترکیب دستورالعمل‌ها بدون محدودیت‌های لایسنس می‌دهد. برای سیلیکون سفارشی که برای یک معماری مدل خاص طراحی شده است، این انعطاف‌پذیری اهمیت دارد.

شکاف‌های باقی‌مانده

سرورها و لپ‌تاپ‌ها دو بازاری هستند که RISC-V هنوز عملکرد رقابتی در مقیاس بزرگ نشان نداده است. سریع‌ترین پردازنده‌های کاربردی RISC-V در سال ۲۰۲۶ تقریباً با بخش‌های میان‌رده ARM Cortex-A55 از چند سال پیش قابل مقایسه هستند — برای edge embedded و سطح ابتدایی کافی است، اما با Apple Silicon، AMD Zen 5 یا حتی ARM Cortex-X4 رقابتی نیست. این شکاف تا حدی وجود دارد زیرا پردازنده‌های ARM و x86 از دهه‌ها بهینه‌سازی میکرو معماری، بودجه‌های عظیم تحقیق و توسعه و ساخت در پیشرفته‌ترین گره‌های فرآیند بهره می‌برند.

تکه‌تکه شدن اکوسیستم یک نگرانی ساختاری است. قابلیت توسعه RISC-V — ویژگی که آن را انعطاف‌پذیر می‌کند — همچنین به این معناست که تراشه‌های مختلف می‌توانند افزونه‌های متفاوتی را پیاده‌سازی کنند و نوشتن نرم‌افزاری که در همه جا خوب کار کند را دشوارتر می‌کند. ARM این مشکل را با کنترل دقیق بر پروفایل‌های خود حل کرد؛ باز بودن RISC-V به این معناست که تنوع بیشتری در آنچه «RISC-V» در عمل معنی می‌دهد وجود دارد.

پروژه RISE (اکوسیستم نرم‌افزاری RISC-V) که در سال ۲۰۲۳ با پشتیبانی گوگل، اینتل، کوالکام و دیگران راه‌اندازی شد، روی هماهنگ‌سازی توسعه پشته نرم‌افزاری و جلوگیری از تکه‌تکه شدن کار می‌کند. میزان اثربخشی این پروژه به طور قابل توجهی تعیین می‌کند که آیا RISC-V می‌تواند به بازارهای با کارایی بالاتر حرکت کند یا اینکه عمدتاً در کاربردهای embedded و IoT که نیازمندی‌های سازگاری محدودتر هستند، قوی باقی می‌ماند.

مسیر به وضوح رو به بالا است. RISC-V در کوتاه‌مدت جایگزین ARM یا x86 نمی‌شود — آن معماری‌ها فضای عملکرد، عمق اکوسیستم و سرمایه‌گذاری تولید زیادی دارند. کاری که انجام می‌دهد این است که فضای بزرگ و رو به رشدی را در بازارهای embedded، IoT و edge ایجاد می‌کند و در عین حال پیش‌نیازهای اکوسیستم را برای یک حرکت آینده به سمت محاسبات با کارایی بالاتر می‌سازد. صنعت تراشه نظاره‌گر است.