ARM vs. RISC-V: Είναι το ένα καλύτερο από το άλλο;

Εάν θέλετε να φτιάξετε μια CPU και δεν είστε η AMD ή η Intel, υπάρχουν δύο πραγματικές επιλογές: ARM και RISC-V. Ποιες είναι όμως οι διαφορές μεταξύ των δύο και γιατί οι εταιρείες επιλέγουν το ένα από το άλλο; Αυτές οι ερωτήσεις είναι θεμελιωδώς συνυφασμένες με διαφορετικές φιλοσοφίες σχετικά με το υλικό ανοιχτού κώδικα και το τι είναι καλύτερο για τη βιομηχανία επεξεργαστών και υπολογιστών.

Τι είναι το ARM και το RISC-V;

Το ARM και το RISC-V είναι αρχιτεκτονικές συνόλων εντολών ή ISA. Το ISA είναι το θεμέλιο ενός επεξεργαστή και είναι το πιο θεμελιώδες και βασικό συστατικό οποιασδήποτε CPU. Και τα δύο ISA είναι σχέδια μειωμένων συνόλων εντολών υπολογιστή (ή RISC), που σημαίνει ότι οι βασικές οδηγίες στις οποίες έχει πρόσβαση η CPU είναι εγγενώς απλές αλλά ιδανικά γρήγορες στον υπολογισμό. Το «R» στο ARM στην πραγματικότητα σημαίνει RISC (αν και το ARM δεν αντιμετωπίζεται πλέον ως ακρωνύμιο), επομένως από αυτή την άποψη τα δύο ISA είναι παρόμοια.

Ο αρχικός σχεδιαστής της ARM ήταν η Acorn Computers, με έδρα τη Βρετανία. Το 1990, η Acorn Computers απέκλεισε την ομάδα σχεδιασμού CPU σε Advanced RISC Machines, αργότερα ARM Ltd. Το επιχειρηματικό μοντέλο αδειοδότησης της ARM ξεκίνησε τη δεκαετία του '90 μέσω μιας συνεργασίας με την Apple, η οποία βοήθησε στην ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής ARM6 που κυκλοφόρησε το 1992. Από τότε, η ARM αδειοδοτεί την αρχιτεκτονική ARM σε εταιρείες που μπορούν να πληρώσουν για αυτήν.

RISC-V, αντίθετα, είναι ένα ISA εντελώς ανοιχτού κώδικα και χωρίς δικαιώματα. Άρχισε να αναπτύσσεται το 2010 ως έργο του Εργαστηρίου Parallel Computing του UC Berkeley, αλλά με την πάροδο 5 ετών έγινε κάτι πολύ μεγαλύτερο. Τελικά, 36 εταιρείες τεχνολογίας ενώθηκαν για να υποστηρίξουν το RISC-V και ίδρυσαν το ίδρυμα RISC-V. Το 2020, το ίδρυμα RISC-V μετονομάστηκε σε RISC-V International.

Το ARM και το RISC-V απέχουν πολύ από τα μόνα ISA στην αγορά, αλλά είναι από τα πιο δημοφιλή εκτός από το x86 (το οποίο είναι αποκλειστικό για την Intel και την AMD) και το Power (το οποίο μέχρι πρόσφατα ήταν αποκλειστικό της IBM και είναι τώρα ανοιχτό πηγή).

Ένα από τα κοινά κίνητρα για το ARM και το RISC-V είναι η διαφορετική προσέγγισή τους στο ISA κλειστού κώδικα x86, το οποίο ήταν, μέχρι πολύ πρόσφατα, το πιο χρησιμοποιούμενο ISA στον κόσμο σε διάφορες αγορές. Το x86 ISA δεν είναι τόσο καθολικό ή ηγεμονικό όσο ήταν κάποτε, αλλά τόσο η Intel όσο και η AMD εξακολουθούν να είναι κυρίαρχες δυνάμεις στην αγορές επιτραπέζιων υπολογιστών, φορητών υπολογιστών και διακομιστών, καθώς και ισχυρές δυνάμεις σε ορισμένες μικρότερες αγορές, όπως οι κονσόλες παιχνιδιών και 5G διακομιστές δικτύωσης.

Αν και τόσο το ARM όσο και το RISC-V είναι ενωμένοι στην επιθυμία τους να αφαιρέσουν το μερίδιο αγοράς από το x86, ανταγωνίζονται επίσης μεταξύ τους. Το επιχειρηματικό μοντέλο και η φιλοσοφία σχεδιασμού της ARM ήταν ένας από τους κινητήριους παράγοντες πίσω από την ανάπτυξη του RISC-V και αποτελεί σημαντικό σημείο διαμάχης μεταξύ των δύο ISA που βασίζονται στο RISC.

Κλειστή πηγή vs. ανοιχτή πηγή

Στο επίκεντρο των διαφορών μεταξύ ARM και RISC-V είναι το θέμα του υλικού κλειστού και ανοιχτού κώδικα. Το ARM είναι κλειστού κώδικα ενώ το RISC-V είναι ανοιχτού κώδικα. Πιθανότατα έχετε ακούσει για αυτούς τους όρους σε σχέση με το λογισμικό, αλλά τι σημαίνει αυτό για το υλικό;

Αφορά βασικά την πνευματική ιδιοκτησία (ή την πνευματική ιδιοκτησία) και τα δικαιώματα χρήσης αυτής της πνευματικής ιδιοκτησίας. Για παράδειγμα, μόνο η Intel και η AMD μπορούν να κατασκευάσουν σύγχρονους επεξεργαστές x86 επειδή βάσει νόμου έχουν τα δικαιώματα IP σε αυτούς. Το υλικό ανοιχτού κώδικα είναι σχεδόν το αντίθετο, καθώς επικεντρώνεται σε ένα σχέδιο που ο καθένας είναι ελεύθερος να χρησιμοποιήσει και να τροποποιήσει όπως τους αρμόζει. Εδώ συγκρούονται οι φιλοσοφίες του ARM και του RISC-V, γιατί παρόλο που η ARM εκδίδει άδεια για τις αρχιτεκτονικές της (σε αντίθεση με την Intel και την AMD), η εταιρεία είναι τελικά και φύλακας.

Ας επανέλθουμε στο επιχειρηματικό μοντέλο κάθε ISA. Το ARM ISA ανήκει στην εταιρεία ARM Ltd, η οποία κερδίζει χρήματα με την αδειοδότηση της αρχιτεκτονικής σε εταιρείες που μπορούν να το αντέξουν οικονομικά. Οι βασικοί πυρήνες ARM σχεδιάζονται και αναπτύσσονται από την ίδια την ARM Ltd και εταιρείες όπως η Apple και η Qualcomm μπορούν να προσθέσουν σε αυτούς τους πυρήνες ανάλογα με τις ανάγκες τους.

Οι επεξεργαστές Apple M1 και Qualcomm Snapdragon εξακολουθούν να είναι ARM, αλλά είναι προσαρμοσμένοι. Είναι ακριβώς όπως η διαφορά μεταξύ των CPU της Intel και της AMD, και παρά τις τεράστιες διαφορές μεταξύ Core και Ryzen ή Xeon και Epyc, εξακολουθούν να είναι CPU x86.

Ωστόσο, οι εταιρείες που χρησιμοποιούν το ARM ISA δεν επιτρέπεται να τροποποιήσουν τον ίδιο τον βασικό πυρήνα. Το RISC-V International και οι εταιρείες που χρησιμοποιούν το RISC-V το βλέπουν ως σημαντικό περιορισμό και σε συνδυασμό με τα τέλη αδειοδότησης καθιστά ανεπιθύμητη τη χρήση του ARM. Τι εναλλακτική λοιπόν παρέχει το RISC-V;

Για αρχή, οι εταιρείες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το RISC-V ISA δωρεάν: Χωρίς τέλη αδειοδότησης, χωρίς δικαιώματα, χωρίς δεσμεύσεις. Οι εταιρείες επιτρέπεται επίσης να κάνουν ό, τι θέλουν με πυρήνες RISC-V. Αυτό σίγουρα μειώνει το εμπόδιο για την είσοδο στην κατασκευή οποιασδήποτε CPU, προσαρμοσμένης ή μη.

Όμως, όπως τείνουν να λένε οι υποστηρικτές του λογισμικού ανοιχτού κώδικα, «ανοιχτός κώδικας δεν σημαίνει δωρεάν». Οι εταιρείες που χρησιμοποιούν το RISC-V είναι δεν είναι υποχρεωμένοι να μοιράζονται τις καινοτομίες τους με κανέναν, αν και είναι ελεύθεροι να αδειοδοτήσουν και να πουλήσουν την IP τους όπως και η ARM μπορώ.

Τόσο η ARM Ltd όσο και η RISC-V International θέλουν να προωθήσουν τον κλάδο των υπολογιστών, αλλά έχουν διαφορετικές ιδέες για τον καλύτερο τρόπο να το κάνουν. Ουσιαστικά, η διαφορά μεταξύ ARM και RISC-V έγκειται στο πόσο μια κεντρική αρχή μπορεί να αποφασίσει και να περιορίσει.

Γιατί να επιλέξετε ARM ή RISC-V;

Για να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση, μιλήσαμε με τον CEO της RISC-V International, Calista Redmond. Εξήγησε ότι εκεί που κάποτε οι κατασκευαστές τσιπ μπορούσαν να χειριστούν μόνοι τους κάθε μέρος της κατασκευής, σήμερα οι περισσότερες εταιρείες πρέπει να συνεργαστούν με άλλες εταιρείες για να ολοκληρώσουν τα πράγματα. Η ARM αδειοδοτεί το ISA της στην Apple, η οποία ασχολείται με την TSMC, για παράδειγμα. Η Redmond μου εξήγησε ότι αυτή η αλλαγή στον κλάδο βοήθησε στη δημιουργία του ανοίγματος για το RISC-V, αλλά υποστήριξε ότι υπήρχε επίσης ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας: Η συνεχώς διευρυνόμενη αγορά για προσαρμοσμένους επεξεργαστές.

Πολλές βιομηχανίες προσπαθούν όλο και περισσότερο να ενσωματώσουν τσιπ υπολογιστών στην επιχείρηση και ο Redmond ισχυρίστηκε ότι μόνο το RISC-V θα μπορούσε να εξυπηρετήσει ένα τόσο διαφορετικό πλήθος πελατών. Η εγγενής δομοστοιχειότητα και η σχεδιαστική ελευθερία του RISC-V το καθιστούν την ιδανική επιλογή, υποστήριξε. Επιπλέον, σε σύγκριση με την ARM δεν χρειάζονται διαπραγματεύσεις και χρεώσεις αδειοδότησης, καθιστώντας τη χρήση του RISC-V ταχύτερη και φθηνότερη. Εάν μια εταιρεία δεν θέλει να χρησιμοποιήσει το βασικό σχέδιο RISC-V και επίσης δεν θέλει να σχεδιάσει ένα στο δικό του, μπορεί να συνεργαστεί με άλλες εταιρείες RISC-V για την αδειοδότηση IP, η οποία μπορεί να είναι φθηνότερη από το να περάσει ΜΠΡΑΤΣΟ.

Ήμουν επίσης περίεργος για τις εταιρείες που χρησιμοποιούν το RISC-V. Η Intel, για παράδειγμα, είναι μέλος του RISC-V International, αλλά κατασκευάζει και επεξεργαστές x86. Δεν θα έβλεπε η Intel το RISC-V ως ανταγωνιστή και όχι ως συνεργάτη; Ο Redmond εξήγησε ότι αφορά τις διάφορες επιχειρήσεις της Intel. Η Intel κατασκευάζει επεξεργαστές x86, αλλά κατέχει επίσης τις δικές της fabs, ένα μοναδικό πλέον χαρακτηριστικό της δομής της Intel. Είναι πιο κερδοφόρο για την Intel να κατασκευάζει επεξεργαστές RISC-V παρά να μην το κάνει.

Ένα άλλο μέλος του RISC-V, η Nvidia, θεωρεί ότι οι επεξεργαστές RISC-V είναι μια σημαντική προσθήκη στις GPU της, ακόμη και όταν η εταιρεία επιδίωκε συμφωνία για την απόκτηση της ARM.

Ο Ted Speers, Επικεφαλής Αρχιτεκτονικής και Σχεδιασμού Προϊόντων στη Microchip και μέλος του διοικητικού συμβουλίου της RISC-V International, μας είπε ότι όπου η θυγατρική της, η Microsemi, κάποτε χρησιμοποιούσε την ARM στα σχέδια του συστήματος σε chip (S0C), σήμερα τα κορυφαία SoC της βασίζονται σε επεξεργαστές RISC-V αντι αυτου. Σύμφωνα με τον Speers, αυτό οφείλεται στο χαμηλότερο κόστος ανάπτυξης και αδειοδότησης, καλύτερη μακροπρόθεσμη προοπτική και ευελιξία και καλύτερη ικανότητα κάλυψης των μοναδικών αναγκών που θα είχε ένα Microsemi FPGA SoC. Σημείωσε επίσης ότι επειδή η Microsemi δεν ήταν ιδιαίτερα ενσωματωμένη στο οικοσύστημα ARM και δεν βασιζόταν ιδιαίτερα στο ARM ISA, η μετάβαση δεν ήταν τόσο δύσκολη όσο θα μπορούσε να ήταν.

Από την πλευρά της, η ARM ισχυρίζεται ότι έχει πολύ περισσότερα χρήματα για να χρηματοδοτήσει Ε&Α και να αναπτύξει τεχνολογία για τους πελάτες της, ενώ η RISC-V International δεν παρέχει και απλώς παρέχει ISA. Η ARM εξέφρασε επίσης ανησυχίες ότι η χρήση του RISC-V θα μπορούσε να οδηγήσει σε «κατακερματισμό», κάτι που είναι βασικά έλλειψη των προτύπων σε έναν κλάδο που δημιουργεί εμπόδιο για συμβατότητα τόσο σε υλικό όσο και σε λογισμικό. Εφόσον το ARM παρέχει τυποποιημένους πυρήνες, αποτρέπεται ο κίνδυνος κατακερματισμού. Ενώ το RISC-V βλέπει αυτή την τυποποίηση ως αδυναμία, η ARM υποστηρίζει ότι είναι πλεονέκτημα.

Το ARM θέτει ένα καλό σημείο. Πολλές εταιρείες είναι απόλυτα ευχαριστημένες με την τεχνολογία που παρέχει, παρόλο που κανείς δεν επιτρέπεται να την τροποποιήσει πλήρως. Η Apple κατασκευάζει ισχυρούς επεξεργαστές ARM όχι μόνο για Macbook αλλά και για επιτραπέζιους υπολογιστές Mac, και η CPU του διακομιστή Graviton της Amazon αναμένεται να προσφέρει κάποιο ανταγωνισμό στο Xeon της Intel και στο Epyc της AMD. Είναι επίσης χρήσιμο αυτό Android Το λειτουργικό σύστημα μπορεί να λειτουργήσει βασικά σε οποιοδήποτε smartphone.

Ωστόσο, πρέπει όλοι να χρησιμοποιούν πραγματικά το ARM για να βεβαιωθούν ότι όλα είναι στον ίδιο ISA; Δεν είναι διαισθητικό ότι το τηλέφωνό μου θα πρέπει να έχει τους ίδιους πυρήνες CPU με το FPGA SoC της Microsemi, για παράδειγμα. Το σκεπτικό που μου έδωσε η ARM για τη χρήση του ISA αντί για το RISC-V φαίνεται λίγο ασταθές έξω από τους υπολογιστές και τους διακομιστές τελικού χρήστη.

Τελικά, θα αποφασιστεί στην αγορά ποιος ISA υπερτερεί. Για χρόνια, το προπύργιο της ARM ήταν τα τηλέφωνα, αλλά το ISA βλέπει αυξανόμενη χρήση σε άλλους τομείς. Προϊόντα όπως Galaxy Book Go της Samsung, ένας φορητός υπολογιστής Windows που βασίζεται σε ARM και Τα Macbook της Apple με τροφοδοσία M1 αμφισβητούν την Intel και την AMD στην αγορά φορητών υπολογιστών. Οι επεξεργαστές διακομιστή ARM αναπτύσσονται από την Amazon και την Ampere, μια άλλη επέκταση στην παραδοσιακή περιοχή x86.

Εν τω μεταξύ, το RISC-V βλέπει τη μεγαλύτερη οδό επέκτασης στον βιομηχανικό τομέα, τις συσκευές IoT και το A.I. Αυτό δεν είναι το είδος του ARM vs. x86 καβγάς που βλέπουμε σήμερα, αλλά είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι η ARM είναι εντάξει με το RISC-V που δυνητικά στρίβει αυτές τις αναδυόμενες αγορές. Μέχρι το 2025, το RISC-V είναι πολύ βέβαιο ότι έως και το 14% ολόκληρης της αγοράς CPU θα χρησιμοποιεί επεξεργαστές RISC-V.

Θα πρέπει να περιμένουμε και να δούμε ποιανού το όραμα για το μέλλον αποδεικνύεται σωστό, αλλά φαίνεται ξεκάθαρο προς το παρόν ότι τόσο το υλικό RISC-V όσο και το υλικό ARM έχουν μια θέση στην αγορά.

Συστάσεις των συντακτών

• Τι είναι το RISC-V;