ARM vs. RISC-V: Este unul mai bun decât celălalt?

Dacă ai vrut să faci un procesor și nu ești AMD sau Intel, există două opțiuni reale: ARM și RISC-V. Dar care sunt diferențele dintre cele două și de ce companiile aleg una față de alta? Aceste întrebări sunt în mod fundamental împletite cu filozofii diferite despre hardware-ul open source și ce este mai bine pentru industria procesoarelor și a calculatoarelor.

Ce sunt ARM și RISC-V?

ARM și RISC-V sunt arhitecturi de seturi de instrucțiuni sau ISA. ISA este baza unui procesor și este componenta cea mai fundamentală și de bază a oricărui procesor. Ambele ISA-uri sunt modele de computer cu set de instrucțiuni reduse (sau RISC), ceea ce înseamnă că instrucțiunile de bază la care are acces CPU-ul sunt în mod inerent simple, dar în mod ideal rapid de calculat. „R” din ARM înseamnă de fapt RISC (deși ARM nu mai este tratat ca un acronim), așa că, în acest sens, cele două ISA-uri sunt similare.

Designerul original al ARM a fost Acorn Computers, cu sediul în Marea Britanie. În 1990, Acorn Computers a transformat echipa de proiectare CPU în Advanced RISC Machines, mai târziu ARM Ltd. Modelul de afaceri de licențiere ARM a apărut în anii 90 printr-un parteneriat cu Apple, care a ajutat la dezvoltarea arhitecturii ARM6 lansată în 1992. De atunci, ARM a acordat licențe pentru arhitectura ARM companiilor care pot plăti pentru aceasta.

RISC-V, prin contrast, este un ISA complet open-source și fără drepturi de autor. A început dezvoltarea în 2010 ca un proiect al Laboratorului de calcul paralel al UC Berkeley, dar pe parcursul a 5 ani a devenit ceva mult mai mare. În cele din urmă, 36 de companii tehnologice s-au reunit pentru a sprijini RISC-V și au fondat Fundația RISC-V. În 2020, Fundația RISC-V și-a redenumit RISC-V International.

ARM și RISC-V sunt departe de singurele ISA de pe piață, dar sunt printre cele mai populare în afară de x86 (care este exclusiv pentru Intel și AMD) și Power (care până de curând era exclusiv pentru IBM și este acum deschisă sursă).

Una dintre motivațiile comune pentru ARM și RISC-V este abordarea lor diferită față de ISA x86 sursă închisă, care a fost, până de curând, cel mai folosit ISA din lume pe diverse piețe. ISA x86 nu este la fel de universal sau hegemonic ca odinioară, dar atât Intel, cât și AMD sunt încă forțe dominante în piețele desktop, laptop-uri și servere, precum și forțe puternice pe unele piețe mai mici, cum ar fi consolele de jocuri și 5G servere de rețea.

Deși atât ARM, cât și RISC-V sunt unite în dorința lor de a lua cota de piață de la x86, ei concurează și unul împotriva celuilalt. Modelul de afaceri și filosofia de proiectare ale ARM au fost unul dintre factorii motivatori din spatele dezvoltării RISC-V și este un punct major de disputa între cele două ISA bazate pe RISC.

Sursă închisă vs. sursa deschisa

În centrul diferențelor dintre ARM și RISC-V se află problema hardware-ului închis și open-source. ARM este sursă închisă, în timp ce RISC-V este sursă deschisă. Probabil ați auzit de acești termeni în legătură cu software-ul, dar ce înseamnă acest lucru pentru hardware?

Este vorba în principiu despre proprietatea intelectuală (sau IP) și drepturile de utilizare a acelei proprietăți intelectuale. De exemplu, doar Intel și AMD pot face procesoare x86 moderne pentru că prin lege au drepturi de IP asupra acestora. Hardware-ul open-source este aproape opusul, deoarece se concentrează pe un design pe care fiecare este liber să îl folosească și să modifice după cum crede de cuviință. Aici se ciocnesc filozofiile ARM și RISC-V, deoarece, deși ARM își licențiază arhitecturile (spre deosebire de Intel și AMD), compania este în cele din urmă și un gatekeeper.

Să revenim la modelul de afaceri al fiecărui ISA. ARM ISA este deținut de compania ARM Ltd, care câștigă bani prin acordarea de licențe pentru arhitectură companiilor care își permit. Nucleele ARM de bază sunt proiectate și dezvoltate chiar de ARM Ltd, iar companii precum Apple și Qualcomm pot adăuga la aceste nuclee pentru a se potrivi nevoilor lor.

Procesoarele Apple M1 și Qualcomm Snapdragon sunt încă ARM, dar sunt personalizate. Este la fel ca diferența dintre procesoarele Intel și AMD și, în ciuda diferențelor mari dintre Core și Ryzen sau Xeon și Epyc, toate sunt încă procesoare x86.

Cu toate acestea, companiile care utilizează ARM ISA nu au voie să modifice nucleul de bază în sine. RISC-V International și companiile care folosesc RISC-V văd acest lucru ca o limitare majoră și, combinat cu taxele de licență, face ca utilizarea ARM să fie nedorită. Deci, ce alternativă oferă RISC-V?

Pentru început, companiile pot folosi RISC-V ISA gratuit: fără taxe de licență, fără drepturi de autor, fără obligații. De asemenea, companiilor li se permite să facă orice doresc cu nucleele RISC-V. Acest lucru reduce cu siguranță bariera de intrare în realizarea oricărui procesor, personalizat sau nu.

Dar, așa cum susținătorii software-ului open-source tind să spună, „open source nu înseamnă gratuit”. Companiile care folosesc RISC-V sunt nu sunt obligați să-și împărtășească inovațiile cu nimeni, deși sunt liberi să-și licențieze și să-și vândă IP-ul la fel ca ARM poate sa.

Atât ARM Ltd, cât și RISC-V International doresc să promoveze industria de calcul, dar au idei diferite despre cel mai bun mod de a face acest lucru. În esență, diferența dintre ARM și RISC-V se reduce la cât de mult poate decide și limita o autoritate centrală.

De ce să alegeți ARM sau RISC-V?

Pentru a răspunde la această întrebare, am vorbit cu CEO-ul RISC-V International, Calista Redmond. Ea a explicat că acolo unde cândva producătorii de cipuri se puteau ocupa singuri de fiecare parte a fabricării, astăzi majoritatea companiilor trebuie să lucreze cu alte companii pentru a duce lucrurile la bun sfârșit. ARM își acordă licența ISA către Apple, care fabrică la TSMC, de exemplu. Redmond mi-a explicat că această schimbare în industrie a ajutat la crearea deschiderii pentru RISC-V, dar ea a susținut că există și un alt factor crucial: piața în continuă expansiune pentru procesoarele personalizate.

Multe industrii caută din ce în ce mai mult să integreze cipuri de computer în afacere, iar Redmond a afirmat că numai RISC-V ar putea satisface o mulțime atât de diversă de clienți. Modularitatea inerentă și libertatea de proiectare a RISC-V îl fac alegerea ideală, a susținut ea. În plus, în comparație cu ARM, nu este nevoie de negocieri de licențiere și taxe, ceea ce face mai rapidă și mai ieftină utilizarea RISC-V. Dacă o companie nu dorește să utilizeze designul de bază RISC-V și, de asemenea, nu dorește să proiecteze unul pe el propriu, poate lucra cu alte companii RISC-V pentru a licenția IP, care poate fi mai ieftin decât trecerea prin BRAŢ.

Eram curios și de companiile care folosesc RISC-V. Intel, de exemplu, este membru RISC-V International, dar produce și procesoare x86. Intel nu ar vedea RISC-V ca un concurent, nu un partener? Redmond a explicat că se reduce la diferitele afaceri ale Intel. Intel produce procesoare x86, dar dețin și propriile lor fabrici, o caracteristică unică a structurii Intel. Este mai profitabil pentru Intel să inventeze procesoare RISC-V decât să nu facă acest lucru.

Un alt membru RISC-V, Nvidia, vede procesoarele RISC-V ca fiind o completare semnificativă la GPU-urile sale, chiar dacă compania a urmărit o afacere pentru achiziționarea ARM.

Ted Speers, șeful departamentului de arhitectură și planificare a produselor la Microchip și membru al consiliului de administrație la RISC-V International, ne-a spus că în cazul în care filiala sa, Microsemi, a folosit cândva ARM în proiectele sale de sistem pe cip (S0C), astăzi SoC-urile sale emblematice se bazează pe procesoare RISC-V in schimb. Potrivit lui Speers, acest lucru s-a datorat costurilor mai mici de dezvoltare și licențiere, perspective mai bune și flexibilitate pe termen lung și capacitate mai bună de a răspunde nevoilor unice pe care le-ar avea un SoC Microsemi FPGA. El a remarcat, de asemenea, că, deoarece Microsemi nu era în mod special încorporat în ecosistemul ARM și nu se baza în mod special pe ARM ISA, tranziția nu a fost atât de dificilă pe cât ar fi putut fi.

La rândul său, ARM susține că are mult mai mulți bani pentru a finanța cercetarea și dezvoltarea și pentru a dezvolta tehnologie pentru clienții săi, în timp ce RISC-V International nu oferă și doar oferă un ISA. ARM și-a exprimat, de asemenea, îngrijorarea că utilizarea RISC-V ar putea duce la „fragmentare”, care este în principiu o lipsă. a standardelor într-o industrie care creează un obstacol pentru compatibilitate atât în ​​hardware cât și software. Deoarece ARM oferă nuclee standardizate, riscul de fragmentare este evitat. În timp ce RISC-V vede această standardizare ca pe o slăbiciune, ARM susține că este un punct forte.

ARM ridică un punct bun. Multe companii sunt perfect mulțumite de tehnologia pe care o oferă, chiar dacă nimeni nu are voie să o modifice complet. Apple produce procesoare ARM puternice nu doar pentru Macbook-uri, ci și pentru desktop-uri Mac, iar procesorul de server Graviton de la Amazon este de așteptat să ofere o oarecare concurență pentru Xeon de la Intel și Epyc de la AMD. Este util și că Android OS poate rula practic pe orice smartphone.

Cu toate acestea, ar trebui toată lumea să folosească ARM doar pentru a se asigura că totul este pe același ISA? Nu este intuitiv ca telefonul meu să aibă aceleași nuclee CPU ca SoC FPGA de la Microsemi, de exemplu. Raționamentul pe care mi l-a dat ARM pentru utilizarea ISA în loc de RISC-V pare puțin șocant în afara computerelor și serverelor utilizatorilor finali.

În cele din urmă, pe piață se va decide care ISA este superior. De ani de zile, fortăreața ARM a fost telefoanele, dar ISA vede o utilizare în creștere în alte sectoare. Produse ca Galaxy Book Go de la Samsung, un laptop Windows bazat pe ARM și Macbook-urile Apple M1 alimentate provoacă Intel și AMD pe piața laptopurilor. Procesoarele serverului ARM sunt dezvoltate de Amazon și Ampere, o altă expansiune pe teritoriul tradițional x86.

Între timp, RISC-V vede cea mai mare cale de expansiune în sectorul industrial, dispozitive IoT și I.A. Acesta nu este genul de ARM vs. Cearta x86 pe care o vedem astăzi, dar este greu de imaginat că ARM este în regulă cu RISC-V care ar putea încurca aceste piețe emergente. Până în 2025, RISC-V este foarte încrezător că până la 14% din întreaga piață CPU va folosi procesoare RISC-V.

Va trebui să așteptăm și să vedem a cui viziune asupra viitorului se dovedește a fi corectă, dar pare clar pentru moment că atât hardware-ul RISC-V, cât și ARM au un loc pe piață.

Recomandările editorilor

• Ce este RISC-V?