ARM versus RISC-V: Is het een beter dan het ander?

Als je een CPU wilt maken en je bent geen AMD of Intel, zijn er twee echte keuzes: ARM en RISC-V. Maar wat zijn de verschillen tussen de twee, en waarom kiezen bedrijven de een boven de ander? Deze vragen zijn fundamenteel verweven met verschillende filosofieën over open source hardware en wat het beste is voor de processor- en computerindustrie.

Wat zijn ARM en RISC-V?

ARM en RISC-V zijn instructiesetarchitecturen of ISA's. De ISA is de basis van een processor en is het meest fundamentele onderdeel van elke CPU. Beide ISA's zijn computerontwerpen met beperkte instructieset (of RISC), wat betekent dat de basisinstructies waartoe de CPU toegang heeft inherent eenvoudig zijn, maar idealiter snel te berekenen. De ‘R’ in ARM staat eigenlijk voor RISC (hoewel ARM niet langer als een acroniem wordt behandeld), dus in die zin zijn de twee ISA’s vergelijkbaar.

De oorspronkelijke ontwerper van ARM was Acorn Computers, gevestigd in Groot-Brittannië. In 1990 splitste Acorn Computers het CPU-ontwerpteam af in Advanced RISC Machines, later ARM Ltd. Het licentiebedrijfsmodel van ARM ontstond in de jaren negentig via een partnerschap met Apple, dat hielp bij de ontwikkeling van de ARM6-architectuur die in 1992 werd gelanceerd. Sindsdien geeft ARM de ARM-architectuur in licentie aan bedrijven die ervoor kunnen betalen.

RISC-V daarentegen is een volledig open source en royaltyvrije ISA. De ontwikkeling ervan begon in 2010 als een project van het Parallel Computing Laboratory van UC Berkeley, maar in de loop van vijf jaar werd het iets veel groters. Uiteindelijk kwamen 36 technologiebedrijven samen om RISC-V te ondersteunen en richtten de RISC-V Foundation op. In 2020 heeft Stichting RISC-V zichzelf omgedoopt tot RISC-V International.

ARM en RISC-V zijn verre van de enige ISA's op de markt, maar behoren afgezien van x86 tot de meest populaire (dat exclusief is voor Intel en AMD) en Power (dat tot voor kort exclusief was voor IBM en nu open is bron).

Een van de gemeenschappelijke motivaties voor ARM en RISC-V is hun verschillende benadering van de closed source x86 ISA, die tot voor kort de meest gebruikte ISA ter wereld op verschillende markten was. De x86 ISA is niet meer zo universeel of hegemonisch als het ooit was, maar zowel Intel als AMD zijn nog steeds dominante krachten in de wereld. desktop-, laptop- en servermarkten, maar zijn ook krachtige krachten in sommige kleinere markten, zoals gameconsoles en 5G netwerkservers.

Hoewel zowel ARM als RISC-V verenigd zijn in hun wens om marktaandeel af te pakken van x86, concurreren ze ook met elkaar. Het bedrijfsmodel en de ontwerpfilosofie van ARM waren een van de motiverende factoren achter de ontwikkeling van RISC-V, en het is een belangrijk twistpunt tussen de twee op RISC gebaseerde ISA’s.

Gesloten bron vs. open source

De kern van de verschillen tussen ARM en RISC-V is de kwestie van gesloten en open-source hardware. ARM is closed source, terwijl RISC-V open source is. Je hebt waarschijnlijk wel eens van deze termen gehoord met betrekking tot software, maar wat betekent dit voor hardware?

Het gaat in feite over intellectueel eigendom (of IP) en het recht om dat intellectuele eigendom te gebruiken. Alleen Intel en AMD kunnen bijvoorbeeld moderne x86-processors maken omdat zij volgens de wet de IP-rechten daarop hebben. Open-source hardware is bijna het tegenovergestelde, omdat het draait om een ​​ontwerp dat iedereen naar eigen inzicht mag gebruiken en aanpassen. Dit is waar de filosofieën van ARM en RISC-V botsen, want hoewel ARM zijn architecturen in licentie geeft (in tegenstelling tot Intel en AMD), is het bedrijf uiteindelijk ook een poortwachter.

Laten we terugkomen op het bedrijfsmodel van elke ISA. De ARM ISA is eigendom van het bedrijf ARM Ltd, dat geld verdient door de architectuur in licentie te geven aan bedrijven die het zich kunnen veroorloven. Basis-ARM-kernen zijn ontworpen en ontwikkeld door ARM Ltd zelf, en bedrijven als Apple en Qualcomm kunnen deze kernen uitbreiden om aan hun behoeften te voldoen.

Apple M1- en Qualcomm Snapdragon-CPU's zijn nog steeds ARM, maar ze zijn aangepast. Het is net als het verschil tussen Intel- en AMD-CPU’s, en ondanks de enorme verschillen tussen Core en Ryzen of Xeon en Epyc zijn het allemaal nog steeds x86-CPU’s.

Bedrijven die de ARM ISA gebruiken, mogen de basiskern zelf echter niet wijzigen. RISC-V International en bedrijven die RISC-V gebruiken zien dit als een grote beperking en in combinatie met de licentiekosten maakt dit het gebruik van ARM onwenselijk. Welk alternatief biedt RISC-V?

Om te beginnen kunnen bedrijven de RISC-V ISA gratis gebruiken: geen licentiekosten, geen royalty's, geen verplichtingen. Bedrijven mogen ook doen wat ze willen met RISC-V-kernen. Dit verlaagt absoluut de toegangsdrempel voor het maken van een CPU, aangepast of niet.

Maar, zoals voorstanders van open source-software vaak zeggen: “open source betekent niet gratis.” Bedrijven die RISC-V gebruiken zijn dat wel niet verplicht om hun innovaties met wie dan ook te delen, hoewel ze net als ARM vrij zijn om hun IP te licentiëren en te verkopen kan.

Zowel ARM Ltd als RISC-V International willen de computerindustrie vooruit helpen, maar hebben verschillende ideeën over de beste manier om dit te doen. In wezen komt het verschil tussen ARM en RISC-V neer op de mate waarin een centrale autoriteit mag beslissen en beperken.

Waarom kiezen voor ARM of RISC-V?

Om deze vraag te beantwoorden, spraken we Calista Redmond, CEO van RISC-V International. Ze legde uit dat waar chipmakers ooit elk onderdeel van de fabricage zelf konden afhandelen, de meeste bedrijven tegenwoordig met andere bedrijven moeten samenwerken om dingen voor elkaar te krijgen. ARM geeft zijn ISA in licentie aan Apple, dat bijvoorbeeld bij TSMC werkt. Redmond legde me uit dat deze verschuiving in de branche heeft bijgedragen aan het creëren van de opening voor RISC-V, maar ze voerde aan dat er ook nog een andere cruciale factor was: de steeds groter wordende markt voor op maat gemaakte processors.

Veel industrieën zijn steeds meer op zoek naar het integreren van computerchips in het bedrijf, en Redmond beweerde dat alleen RISC-V een dergelijk divers klantenbestand zou kunnen bedienen. De inherente modulariteit en ontwerpvrijheid van RISC-V maken het de ideale keuze, betoogde ze. Bovendien zijn er in vergelijking met ARM geen licentieonderhandelingen en kosten nodig, waardoor het sneller en goedkoper is om RISC-V te gebruiken. Als een bedrijf het basis RISC-V ontwerp niet wil gebruiken en er ook geen op zijn eigen eigen, kan het samenwerken met andere RISC-V-bedrijven om IP-licenties te verkrijgen, wat goedkoper kan zijn dan er doorheen te gaan ARM.

Ik was ook benieuwd naar de bedrijven die RISC-V gebruiken. Intel is bijvoorbeeld lid van RISC-V International, maar maakt ook x86-processors. Zou Intel RISC-V niet als een concurrent zien, en niet als een partner? Redmond legde uit dat het neerkomt op de verschillende activiteiten van Intel. Intel maakt x86-CPU's, maar ze bezitten ook hun eigen fabrieken, een nu uniek kenmerk van de structuur van Intel. Het is voor Intel winstgevender om RISC-V-processors te maken dan om dat niet te doen.

Een ander RISC-V-lid, Nvidia, ziet RISC-V-CPU's als een zinvolle aanvulling op zijn GPU's, ook al streefde het bedrijf ernaar een deal om ARM over te nemen.

Ted Speers, hoofd Product Architecture and Planning bij Microchip en lid van de raad van bestuur bij RISC-V International, vertelde ons dat Waar dochteronderneming Microsemi ooit ARM gebruikte in haar system on chip (S0C)-ontwerpen, zijn haar vlaggenschip SoC's tegenwoordig gebaseerd op RISC-V CPU's in plaats van. Volgens Speers was dit te danken aan lagere ontwikkelings- en licentiekosten, betere langetermijnvooruitzichten en flexibiliteit, en een beter vermogen om te voldoen aan de unieke behoeften van een Microsemi FPGA SoC. Hij merkte ook op dat, aangezien Microsemi niet speciaal ingebed was in het ARM-ecosysteem en niet bepaald afhankelijk was van de ARM ISA, de transitie niet zo moeilijk was als het had kunnen zijn.

ARM van zijn kant beweert dat het veel meer geld heeft om R&D te financieren en technologie voor zijn klanten te ontwikkelen, terwijl RISC-V International dat niet doet en slechts een ISA levert. ARM uitte ook zijn bezorgdheid dat het gebruik van RISC-V zou kunnen leiden tot ‘fragmentatie’, wat in feite een gebrek is van standaarden in een sector die een obstakel vormt voor compatibiliteit, zowel op het gebied van de hardware als op het gebied van de hardware software. Omdat ARM gestandaardiseerde cores levert, wordt het risico op fragmentatie afgewend. Terwijl RISC-V deze standaardisatie als een zwakte beschouwt, beweert ARM dat het een kracht is.

ARM brengt een goed punt naar voren. Veel bedrijven zijn volkomen tevreden met de technologie die zij bieden, ook al mag niemand deze volledig aanpassen. Apple maakt krachtige ARM-CPU's, niet alleen voor Macbooks, maar ook voor Mac-desktops, en de Graviton-server-CPU van Amazon zal naar verwachting enige concurrentie gaan bieden aan Intel's Xeon en AMD's Epyc. Dat is ook handig Android OS kan op vrijwel elk besturingssysteem draaien smartphone.

Moet iedereen echter echt ARM gebruiken om er zeker van te zijn dat alles op dezelfde ISA staat? Het is niet intuïtief dat mijn telefoon dezelfde CPU-kernen zou moeten hebben als bijvoorbeeld de FPGA SoC van Microsemi. De redenering die ARM mij gaf voor het gebruik van zijn ISA in plaats van die van RISC-V lijkt een beetje wankel buiten de computers en servers van eindgebruikers.

Uiteindelijk zal in de markt worden beslist welke ISA superieur is. Jarenlang waren telefoons het bolwerk van ARM, maar de ISA ziet het gebruik in andere sectoren toenemen. Producten zoals Samsung Galaxy Book Go, een ARM-gebaseerde Windows-laptop, en Apple's M1-aangedreven Macbooks vormen een uitdaging voor Intel en AMD op de laptopmarkt. ARM-server-CPU's worden ontwikkeld door Amazon en Ampere, een nieuwe uitbreiding naar traditioneel x86-territorium.

Ondertussen ziet RISC-V zijn grootste uitbreidingsmogelijkheden in de industriële sector, IoT-apparaten en A.I. Dit is niet het soort ARM vs. x86-vechtpartij die we vandaag de dag zien, maar het is moeilijk voor te stellen dat ARM het goed vindt dat RISC-V deze opkomende markten mogelijk in het nauw drijft. RISC-V heeft er alle vertrouwen in dat tegen 2025 maar liefst 14% van de gehele CPU-markt RISC-V-processors zal gebruiken.

We zullen moeten afwachten wiens visie op de toekomst de juiste blijkt te zijn, maar het lijkt voorlopig duidelijk dat zowel RISC-V- als ARM-hardware een plaats op de markt heeft.

Aanbevelingen van de redactie

• Wat is RISC-V?