Decenijama smo svet procesora posmatrali kao prilično zatvoren klub. Računari uglavnom koriste x86 arhitekturu, dok se u telefonima, tabletima i sve većem broju laptopova nalaze procesori zasnovani na ARM arhitekturi.
A onda se pojavio RISC-V.
RISC-V procesori obećavaju drugačiji pristup: otvorenu arhitekturu koju univerziteti, kompanije i pojedinačni inženjeri mogu da koriste bez plaćanja naknade za samu arhitekturu skupa instrukcija.
To ne znači da će nam već sledeće nedelje svi laptopovi raditi na RISC-V procesorima. Znači, međutim, da se pojavio ozbiljan treći igrač koji bi mogao da promeni način na koji se procesori projektuju, prilagođavaju i proizvode.
Šta je zapravo RISC-V?
RISC-V, koji se izgovara približno kao „risk fajv“, jeste otvoreni standard za arhitekturu skupa instrukcija procesora. Na engleskom se koristi skraćenica ISA, od Instruction Set Architecture.
Najjednostavnije rečeno, ISA je jezik kojim softver razgovara sa procesorom.
Kada program treba da sabere dva broja, učita podatak iz memorije ili izvrši određenu proveru, on na kraju mora da pošalje instrukcije koje procesor razume. Arhitektura definiše koje instrukcije postoje, kako izgledaju i kako se koriste.
RISC-V zato nije jedan konkretan procesor, kao što su određeni modeli Intel Core, AMD Ryzen ili Qualcomm Snapdragon čipova. To je skup pravila na osnovu kojeg različite kompanije mogu da projektuju svoje procesore.
Prema objašnjenju organizacije RISC-V International, reč je o otvorenoj i modularnoj arhitekturi koja se može koristiti bez plaćanja naknade za samu ISA specifikaciju.
Otvorena arhitektura nije isto što i besplatan procesor
Ovo je najvažnija razlika koju treba razumeti.
RISC-V jeste otvoreni standard, ali to ne znači da je svaki RISC-V procesor automatski otvorenog koda, besplatan ili dostupan svima za kopiranje.
Možemo ga uporediti sa standardnim formatom utičnice. Pravila određuju oblik i način rada priključka, ali različiti proizvođači i dalje mogu da prave veoma različite uređaje koji ga koriste.
Kompanija može da napravi potpuno otvoreno RISC-V jezgro, čiji je dizajn javno dostupan. Druga kompanija može da napravi zatvoren, komercijalan i patentima zaštićen procesor koji koristi isti skup instrukcija.
RISC-V FAQ izričito navodi da implementacije mogu biti otvorene ili vlasničke. Otvoren je standard prema kojem komponente razgovaraju sa softverom, dok konkretan dizajn procesora ne mora da bude otvoren.
Drugim rečima: RISC-V nije „besplatan čip“. On je otvorena osnova na kojoj čip može da se napravi.
Kako funkcioniše modularni pristup?
RISC-V procesori ne moraju svi da podržavaju potpuno isti skup mogućnosti. Arhitektura ima osnovni skup instrukcija, kojem se zatim dodaju standardizovana proširenja.
To izgleda pomalo kao sastavljanje računara. Počinje se od onoga što je neophodno, a zatim se dodaju komponente potrebne za konkretan posao.
Neka od poznatijih RISC-V proširenja obuhvataju:
| Oznaka | Namena |
| M | Množenje i deljenje celih brojeva |
| A | Atomske operacije važne za rad sa više jezgara |
| F | Operacije sa decimalnim brojevima jednostruke preciznosti |
| D | Decimalne operacije dvostruke preciznosti |
| C | Komprimovane instrukcije koje smanjuju veličinu programa |
| V | Vektorske operacije korisne za obradu većeg broja podataka |
Mali mikrokontroler u senzoru temperature ne mora da poseduje sve funkcije potrebne serverskom procesoru. Proizvođač može da izabere neophodna proširenja i dobije jednostavniji čip koji troši manje energije i zauzima manje prostora.
Za složenije računare koriste se kombinacije većeg broja standardnih proširenja. RISC-V takođe razvija profile, poput RVA23, kojima se definiše zajednički skup funkcija za određene klase uređaja. Njihova uloga je da olakšaju kompatibilnost softvera između procesora različitih proizvođača.
Detaljne i ratifikovane specifikacije dostupne su u zvaničnoj RISC-V biblioteci standarda.
Zašto je otvorena ISA toliko važna?
Projekat novog procesora nije nešto što se završava tokom produženog vikenda, uz dve kafe i optimističan YouTube tutorijal. Razvoj čipa zahteva godine rada, velike timove i ozbiljna finansijska sredstva.
Otvorena arhitektura ipak uklanja jednu važnu prepreku: potrebu da kompanija licencira vlasnički skup instrukcija.
To donosi nekoliko potencijalnih prednosti.
Veća sloboda pri projektovanju
Kompanije mogu da naprave procesor prilagođen veoma specifičnom zadatku. To može biti upravljanje industrijskom mašinom, obrada slike u kameri, kontrola baterije, rad sa neuronskim mrežama ili upravljanje automobilskim sistemom.
Ako procesor ne mora da bude univerzalan, moguće je izbaciti nepotrebne delove i dodati specijalizovane instrukcije.
Manja zavisnost od jednog dobavljača
Otvoreni standard može da smanji dugoročnu zavisnost od poslovne politike jedne kompanije. To je posebno važno za industrijske, automobilske i infrastrukturne sisteme koji moraju da se održavaju deset ili više godina.
Pristupačnije obrazovanje
Studenti mogu da proučavaju arhitekturu, koriste simulatore, menjaju dizajn jezgara i prave sopstvene prototipove bez pregovaranja o skupim komercijalnim licencama.
Za studente elektrotehnike i računarstva ovo je veoma zanimljiva oblast. Događaji kao što je novosadski EESTech Challenge pokazuju koliko praktičan rad na elektronskim i industrijskim problemima može da bude važan dodatak klasičnom učenju.
Gde se RISC-V procesori već koriste?
RISC-V nije više samo univerzitetski eksperiment. Procesori zasnovani na ovoj arhitekturi koriste se u različitim vrstama mikrokontrolera, kontrolera za skladišne uređaje, komunikacionih čipova, razvojnih ploča i ugrađenih sistema.
Njihova primena obuhvata:
- pametne senzore i IoT uređaje;
- industrijsku automatizaciju;
- kontrolere u SSD uređajima;
- mrežnu i komunikacionu opremu;
- automobilske elektronske sisteme;
- bezbednosne čipove;
- akceleratore za veštačku inteligenciju;
- obrazovne i eksperimentalne računare.
RISC-V je naročito privlačan u uređajima u kojima se procesor pravi za tačno određen zadatak. Nije uvek potrebno juriti maksimalnu brzinu. Nekada su mnogo važniji mala potrošnja, pouzdanost, jednostavan dizajn ili mogućnost dugoročnog održavanja.
Istorija računarstva puna je neobičnih kombinacija hardvera. Dobar primer je PS3 superkompjuter sastavljen od više od 1.700 konzola, koji pokazuje da arhitektura procesora može pronaći primenu daleko izvan uređaja za koji je prvobitno zamišljena.
RISC-V, ARM i x86: U čemu je razlika?
Poređenja ovih arhitektura često se svode na pitanje koja je „najbolja“. To je kao da pitamo da li je bolji kombi, gradski automobil ili traktor, a da nismo rekli šta prevozimo i kuda idemo.
| Arhitektura | Najčešća primena | Glavna karakteristika |
| x86 | Desktop i serverski računari | Ogroman softverski ekosistem i visoke performanse |
| ARM | Telefoni, tableti, ugrađeni uređaji i laptopovi | Dobra energetska efikasnost i razvijen sistem licenci |
| RISC-V | Mikrokontroleri, ugrađeni sistemi i procesori po meri | Otvoren, modularan standard bez naknade za korišćenje ISA |
RISC-V procesor nije automatski brži niti štedljiviji od ARM ili x86 procesora. Performanse zavise od konkretnog dizajna jezgra, proizvodnog procesa, memorije, broja jezgara, radnog takta i kvaliteta softvera.
Otvorena arhitektura daje više slobode, ali ne ukida zakone fizike niti pretvara mali razvojni tim u fabriku najsavremenijih čipova.
Najveći izazov nije samo napraviti procesor
Procesor bez odgovarajućeg softvera veoma je elegantan ukras za policu.
Da bi RISC-V postao ozbiljna osnova za desktop računare, radne stanice i servere, potrebni su stabilni operativni sistemi, drajveri, razvojni alati, kompajleri, aplikacije i standardizovane hardverske platforme.
Linux, GCC, LLVM i brojni drugi projekti već podržavaju RISC-V, ali nivo podrške nije isti za svaki uređaj. Jeftina razvojna ploča može imati RISC-V procesor, a da joj ipak nedostaju kvalitetni drajveri za grafiku, bežičnu mrežu ili određene periferije.
Drugi izazov je fragmentacija. Mogućnost dodavanja sopstvenih instrukcija predstavlja veliku prednost, ali previše međusobno različitih implementacija otežava prenos softvera. Upravo zato su standardizovana proširenja i profili važni.
Sloboda je korisna, ali neko ipak mora da se pobrine da se svi članovi benda dogovore koju pesmu sviraju.
Da li je RISC-V bezbedniji?
Otvoren standard sam po sebi nije ni bezbedan ni nebezbedan.
Bezbednost zavisi od konkretnog dizajna procesora, načina upravljanja memorijom, izolacije procesa, implementacije privilegovanih režima, ugrađenog firmvera i softvera koji se izvršava.
Otvorenost specifikacije omogućava većem broju istraživača da proučava arhitekturu i traži slabosti. Istovremeno, loše projektovan RISC-V čip može imati ozbiljne bezbednosne propuste, baš kao i bilo koji drugi procesor.
Zato oznaku „RISC-V“ ne treba posmatrati kao sertifikat bezbednosti. Ona govori kojim jezikom procesor razgovara sa softverom, a ne koliko je dobro konkretan uređaj napravljen.
Zašto je RISC-V zanimljiv ljudima u Srbiji?
Srbija verovatno neće preko noći dobiti fabriku najsavremenijih procesora, ali to ne znači da domaći inženjeri, studenti i kompanije ne mogu da učestvuju u razvoju ove tehnologije.
Najveće prilike mogu se pojaviti u oblastima kao što su:
- projektovanje digitalnih sistema;
- FPGA prototipovi;
- razvoj ugrađenog softvera;
- industrijska automatizacija;
- automobilska elektronika;
- razvoj kompajlera i operativnih sistema;
- bezbednosno testiranje;
- razvoj akceleratora za specifične zadatke.
Student može da pokrene RISC-V sistem u simulatoru, proučava otvorene implementacije i eksperimentiše na pristupačnoj razvojnoj ploči. Za ulazak u svet arhitekture računara to je mnogo pristupačnija početna tačka nego pokušaj pravljenja sopstvene alternative savremenom desktop procesoru.
Više domaćih priča o računarstvu, elektronici i savremenim digitalnim sistemima možete pronaći u rubrici Tehnologija na Digitalnom Svetu.
Da li će RISC-V zameniti ARM i x86?
Najrealniji odgovor glasi: ne u potpunosti i ne uskoro.
Tehnološke arhitekture retko nestaju preko noći. x86 poseduje ogroman ekosistem desktop i serverskog softvera, dok je ARM duboko ukorenjen u mobilnim i ugrađenim uređajima.
RISC-V ne mora potpuno da ih zameni da bi bio uspešan. Dovoljno je da postane ozbiljna opcija u mikrokontrolerima, industriji, automobilima, specijalizovanim akceleratorima i određenim klasama računara.
Njegova najveća snaga možda nije u tome da svaki postojeći procesor zameni identičnim RISC-V modelom. Prava prednost je mogućnost da se naprave procesori koji ranije nisu bili dovoljno praktični ili isplativi.
Otvorena vrata sveta procesora
RISC-V procesori neće magično učiniti razvoj čipova jednostavnim. Fabrike, inženjeri, verifikacija, alati i proizvodnja i dalje koštaju mnogo.
Ono što RISC-V menja jeste početna pozicija.
Umesto da najosnovniji jezik procesora pripada jednoj kompaniji, on postaje otvoreni standard na kojem mogu da grade univerziteti, startapi i veliki proizvođači.
Za prosečnog korisnika promena će verovatno dolaziti tiho. RISC-V se može prvo pojaviti u kontroleru televizora, automobilu, ruteru ili SSD uređaju, bez velike nalepnice na kutiji.
A onda ćemo jednog dana primetiti da se arhitektura koja je počela kao istraživački projekat nalazi svuda oko nas.
