АРМ против. RISC-V: Одно лучше другого?

Если вы хотите создать процессор и вы не AMD или Intel, у вас есть два реальных выбора: ARM и RISC-V. Но каковы различия между ними и почему компании предпочитают один другому? Эти вопросы фундаментально переплетаются с различными взглядами на аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и на то, что лучше для процессорной и компьютерной индустрии.

Что такое ARM и RISC-V?

ARM и RISC-V — это архитектуры набора команд или ISA. ISA является основой процессора и является наиболее фундаментальным и базовым компонентом любого процессора. Обе ISA представляют собой компьютерные конструкции с сокращенным набором команд (или RISC), что означает, что базовые инструкции, к которым имеет доступ ЦП, по своей сути просты, но в идеале быстро вычисляются. Буква «R» в слове ARM на самом деле означает RISC (хотя ARM больше не рассматривается как аббревиатура), поэтому в этом смысле два ISA похожи.

Первоначальным разработчиком ARM была компания Acorn Computers из Великобритании. В 1990 году компания Acorn Computers выделила группу разработчиков процессоров в компанию Advanced RISC Machines, позже ARM Ltd. Бизнес-модель лицензирования ARM зародилась в 90-х годах благодаря партнерству с Apple, которое помогло разработать архитектуру ARM6, выпущенную в 1992 году. С тех пор ARM лицензирует архитектуру ARM компаниям, которые могут за нее заплатить.

RISC-V, напротив, это ISA с полностью открытым исходным кодом, не требующая лицензионных отчислений.. Он начал разрабатываться в 2010 году как проект Лаборатории параллельных вычислений Калифорнийского университета в Беркли, но за 5 лет превратился в нечто гораздо большее. В конце концов, 36 технологических компаний объединились, чтобы поддержать RISC-V, и основали Фонд RISC-V. В 2020 году Фонд RISC-V переименовал себя в RISC-V International.

ARM и RISC-V — далеко не единственные ISA на рынке, но они одни из самых популярных, не считая x86. (эксклюзивно для Intel и AMD) и Power (который до недавнего времени был эксклюзивным для IBM, а теперь открыт источник).

Одной из общих мотиваций для ARM и RISC-V является их разный подход к ISA x86 с закрытым исходным кодом, которая до недавнего времени была наиболее используемой ISA в мире на различных рынках. x86 ISA уже не такая универсальная и доминирующая, как раньше, но и Intel, и AMD по-прежнему являются доминирующими силами на рынке. рынки настольных компьютеров, ноутбуков и серверов, а также являются мощной силой на некоторых небольших рынках, таких как игровые консоли и 5G сетевые серверы.

Хотя и ARM, и RISC-V едины в своем желании отобрать долю рынка у x86, они также конкурируют друг с другом. Бизнес-модель и философия проектирования ARM были одним из мотивирующих факторов разработки RISC-V и основным предметом разногласий между двумя ISA на основе RISC.

Закрытый исходный код против. Открытый исходный код

В основе различий между ARM и RISC-V лежит вопрос аппаратного обеспечения с закрытым и открытым исходным кодом. ARM имеет закрытый исходный код, тогда как RISC-V имеет открытый исходный код. Вы, наверное, слышали об этих терминах применительно к программному обеспечению, но что это означает для аппаратного обеспечения?

В основном речь идет об интеллектуальной собственности (или интеллектуальной собственности) и правах на использование этой интеллектуальной собственности. Например, только Intel и AMD могут производить современные процессоры x86, поскольку по закону у них есть права интеллектуальной собственности на них. Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом представляет собой почти полную противоположность, поскольку оно основано на дизайне, который каждый может свободно использовать и изменять по своему усмотрению. Здесь сталкиваются философии ARM и RISC-V, поскольку, хотя ARM лицензирует свои архитектуры (в отличие от Intel и AMD), в конечном итоге компания также является привратником.

Давайте вернемся к бизнес-модели каждой ISA. ARM ISA принадлежит компании ARM Ltd, которая зарабатывает деньги, лицензируя архитектуру компаниям, которые могут себе это позволить. Базовые ядра ARM спроектированы и разработаны самой компанией ARM Ltd, и такие компании, как Apple и Qualcomm, могут дополнять эти ядра в соответствии со своими потребностями.

Процессоры Apple M1 и Qualcomm Snapdragon по-прежнему являются ARM, но они настроены индивидуально. Это похоже на разницу между процессорами Intel и AMD: несмотря на огромные различия между Core и Ryzen или Xeon и Epyc, все они по-прежнему являются процессорами x86.

Однако компаниям, использующим ARM ISA, не разрешается модифицировать само базовое ядро. RISC-V International и компании, использующие RISC-V, рассматривают это как серьезное ограничение, а в сочетании с лицензионными сборами использование ARM становится нежелательным. Так какую альтернативу предлагает RISC-V?

Во-первых, компании могут использовать RISC-V ISA бесплатно: без лицензионных отчислений, без лицензионных отчислений и без каких-либо условий. Компаниям также разрешено делать с ядрами RISC-V все, что они хотят. Это определенно снижает барьер для создания любого процессора, индивидуального или нет.

Но, как обычно говорят сторонники программного обеспечения с открытым исходным кодом, «открытый исходный код не означает бесплатный». Компании, использующие RISC-V, не обязаны делиться своими инновациями с кем-либо, хотя они могут свободно лицензировать и продавать свою интеллектуальную собственность, как и ARM. может.

И ARM Ltd, и RISC-V International хотят развивать компьютерную индустрию, но имеют разные представления о том, как лучше всего это сделать. По сути, разница между ARM и RISC-V сводится к тому, насколько центральный орган может принимать решения и ограничивать.

Почему стоит выбрать ARM или RISC-V?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы поговорили с генеральным директором RISC-V International Калистой Редмонд. Она объяснила, что если раньше производители микросхем могли самостоятельно выполнять каждую часть производства, то сегодня большинству компаний приходится работать с другими компаниями, чтобы добиться цели. ARM лицензирует свою ISA для Apple, которая, например, производит TSMC. Редмонд объяснила мне, что этот сдвиг в отрасли помог создать возможности для RISC-V, но она утверждала, что существует еще один решающий фактор: постоянно расширяющийся рынок специализированных процессоров.

Многие отрасли все чаще стремятся интегрировать компьютерные чипы в свой бизнес, и Редмонд утверждает, что только RISC-V может удовлетворить такое разнообразие клиентов. По ее мнению, присущая RISC-V модульность и свобода дизайна делают его идеальным выбором. Кроме того, по сравнению с ARM нет необходимости в переговорах по лицензированию и оплате, что делает использование RISC-V быстрее и дешевле. Если компания не хочет использовать базовую схему RISC-V, а также не хочет разрабатывать ее на своей самостоятельно, он может работать с другими компаниями RISC-V для лицензирования интеллектуальной собственности, что может быть дешевле, чем проходить через РУКА.

Мне также было интересно узнать о компаниях, использующих RISC-V. Intel, например, является членом RISC-V International, но также производит процессоры x86. Разве Intel не будет рассматривать RISC-V как конкурента, а не партнера? Редмонд объяснил, что все сводится к различным направлениям деятельности Intel. Intel действительно производит процессоры x86, но у них также есть собственные фабрики, что теперь является уникальной особенностью структуры Intel. Для Intel выгоднее создавать процессоры RISC-V, чем не делать этого.

Другой член RISC-V, Nvidia, считает процессоры RISC-V значимым дополнением к своим графическим процессорам, даже несмотря на то, что компания стремилась сделка по приобретению ARM.

Тед Спирс, руководитель отдела архитектуры и планирования продуктов Microchip и член правления RISC-V International, рассказал нам, что там, где ее дочерняя компания Microsemi когда-то использовала ARM в своих проектах систем на кристалле (S0C), сегодня ее флагманские SoC основаны на процессорах RISC-V. вместо. По словам Спирса, это произошло благодаря более низким затратам на разработку и лицензирование, лучшей долгосрочной перспективе и гибкости, а также лучшей способности удовлетворить уникальные потребности Microsemi FPGA SoC. Он также отметил, что, поскольку Microsemi не была особенно встроена в экосистему ARM и особо не полагалась на ARM ISA, переход оказался не таким сложным, как мог бы быть.

Со своей стороны, ARM утверждает, что у нее гораздо больше денег для финансирования НИОКР и разработки технологий для своих клиентов, тогда как RISC-V International не имеет и просто предоставляет ISA. ARM также выразила обеспокоенность тем, что использование RISC-V может привести к «фрагментации», что, по сути, является недостатком. стандартов во всей отрасли, что создает препятствия для совместимости как в аппаратном обеспечении, так и в программное обеспечение. Поскольку ARM предоставляет стандартизированные ядра, риск фрагментации исключен. В то время как RISC-V считает эту стандартизацию слабостью, ARM утверждает, что это ее сильная сторона.

ARM поднимает хороший вопрос. Многие компании полностью довольны предоставляемыми ими технологиями, хотя никому не разрешено полностью ее модифицировать. Apple производит мощные процессоры ARM не только для Macbook, но и для настольных компьютеров Mac, а серверный процессор Amazon Graviton, как ожидается, составит некоторую конкуренцию Intel Xeon и AMD Epyc. Еще полезно, что Андроид ОС может работать практически на любой смартфон.

Однако стоит ли всем действительно использовать ARM только для того, чтобы убедиться, что все работает на одной и той же ISA? Например, неочевидно, что мой телефон должен иметь те же ядра ЦП, что и SoC FPGA от Microsemi. Аргументация, которую ARM привела мне в пользу использования ее ISA вместо RISC-V, кажется немного шаткой за пределами компьютеров и серверов конечных пользователей.

В конечном итоге на рынке будет решено, какая ISA лучше. В течение многих лет оплотом ARM были телефоны, но ISA наблюдает рост использования в других секторах. Такие продукты, как Galaxy Book Go от Samsung, ноутбук с ОС Windows на базе ARM и Макбуки Apple на базе M1 бросают вызов Intel и AMD на рынке ноутбуков. Серверные процессоры ARM разрабатываются Amazon и Ampere, что является еще одним расширением традиционного рынка x86.

Между тем, RISC-V видит свои самые большие возможности для расширения в промышленном секторе, устройствах Интернета вещей и искусственном интеллекте. Это не тот тип противостояния ARM vs. Сегодня мы наблюдаем драку с x86, но трудно представить, что ARM согласна с тем, что RISC-V потенциально может захватить эти развивающиеся рынки. Представители RISC-V уверены, что к 2025 году до 14% всего рынка ЦП будут использовать процессоры RISC-V.

Нам придется подождать и посмотреть, чье видение будущего окажется правильным, но на данный момент кажется очевидным, что оборудование как RISC-V, так и ARM имеет свое место на рынке.

Рекомендации редакции

• Что такое RISC-V?