ARM vs. RISC-V: Är det ena bättre än det andra?

Om du ville göra en CPU, och du inte är AMD eller Intel, finns det två riktiga val: ARM och RISC-V. Men vad är skillnaderna mellan de två, och varför väljer företag det ena framför det andra? Dessa frågor är i grunden sammanflätade med olika filosofier om hårdvara med öppen källkod och vad som är bäst för processor- och datorindustrin.

Vad är ARM och RISC-V?

ARM och RISC-V är instruktionsuppsättningsarkitekturer, eller ISA. ISA är grunden för en processor och är den mest grundläggande och grundläggande komponenten i varje CPU. Båda ISA: erna är datordesigner med reducerad instruktionsuppsättning (eller RISC), vilket innebär att basinstruktionerna som CPU har tillgång till är i sig enkla men idealiskt snabba att beräkna. "R" i ARM står faktiskt för RISC (även om ARM inte längre behandlas som en akronym), så i denna mening är de två ISA: erna lika.

Den ursprungliga designern av ARM var Acorn Computers, baserat i Storbritannien. År 1990 knep Acorn Computers av CPU-designteamet till Advanced RISC Machines, senare ARM Ltd. ARMs affärsmodell för licensiering har sitt ursprung på 90-talet genom ett partnerskap med Apple, som hjälpte till att utveckla ARM6-arkitekturen som lanserades 1992. Ända sedan dess har ARM licensierat ut ARM-arkitekturen till företag som kan betala för den.

RISC-V, däremot, är en fullständigt öppen källkod och royaltyfri ISA. Det började utvecklas 2010 som ett projekt av UC Berkeleys Parallel Computing Laboratory, men blev under loppet av 5 år något mycket större. Så småningom gick 36 teknikföretag samman för att stödja RISC-V och grundade RISC-V Foundation. 2020 döpte RISC-V Foundation om sig själv till RISC-V International.

ARM och RISC-V är långt ifrån de enda ISA på marknaden, men de är bland de mest populära förutom x86 (som är exklusivt för Intel och AMD) och Power (som tills nyligen var exklusivt för IBM och nu är öppet källa).

En av de vanliga motiven för ARM och RISC-V är deras olika inställning till x86 ISA med stängd källkod, som tills helt nyligen var den mest använda ISA i världen på olika marknader. x86 ISA är inte så universell eller hegemonisk som den en gång var, men både Intel och AMD är fortfarande dominerande krafter i marknaderna för stationära, bärbara och servrar, samt vara kraftfulla krafter på vissa mindre marknader som spelkonsoler och 5G nätverksservrar.

Även om både ARM och RISC-V är förenade i sin önskan att ta marknadsandelar från x86, konkurrerar de mot varandra också. ARMs affärsmodell och designfilosofi var en av de motiverande faktorerna bakom utvecklingen av RISC-V, och det är en viktig stridspunkt mellan de två RISC-baserade ISA: erna.

Stängd källa vs. öppen källa

Kärnan i skillnaderna mellan ARM och RISC-V är frågan om hårdvara med stängd och öppen källkod. ARM är sluten källkod medan RISC-V är öppen källkod. Du har säkert hört talas om dessa termer i relation till programvara, men vad betyder detta för hårdvara?

Det handlar i grunden om immateriell egendom (eller IP) och rättigheter att använda den immateriella egendomen. Till exempel är det bara Intel och AMD som kan tillverka moderna x86-processorer eftersom de enligt lag har IP-rättigheterna till dem. Hårdvara med öppen källkod är nästan motsatsen eftersom den fokuserar på en design som alla är fria att använda och modifiera som de vill. Det är här ARM- och RISC-V-filosofierna krockar, för även om ARM licensierar ut sina arkitekturer (till skillnad från Intel och AMD) är företaget i slutändan också en gatekeeper.

Låt oss återkomma till varje ISA: s affärsmodell. ARM ISA ägs av företaget ARM Ltd, som tjänar pengar genom att licensiera ut arkitekturen till företag som har råd. Grundläggande ARM-kärnor är designade och utvecklade av ARM Ltd självt, och företag som Apple och Qualcomm kan lägga till dessa kärnor för att passa deras behov.

Apple M1 och Qualcomm Snapdragon-processorer är fortfarande ARM, men de är anpassade. Det är precis som skillnaden mellan Intel och AMD-processorer, och trots de stora skillnaderna mellan Core och Ryzen eller Xeon och Epyc är de fortfarande x86-processorer.

Företag som använder ARM ISA får dock inte modifiera själva grundkärnan. RISC-V International och företag som använder RISC-V ser detta som en stor begränsning och i kombination med licensavgifterna gör det inte önskvärt att använda ARM. Så vilket alternativ ger RISC-V?

Till att börja med kan företag använda RISC-V ISA gratis: Inga licensavgifter, inga royalties, inga villkor. Företag får också göra vad de vill med RISC-V-kärnor. Detta sänker definitivt inträdesbarriären för att göra vilken CPU som helst, anpassad eller inte.

Men som förespråkare för öppen källkod tenderar att säga, "öppen källkod betyder inte gratis." Företag som använder RISC-V är inte skyldiga att dela sina innovationer med någon, även om de är fria att licensiera och sälja sin IP precis som ARM burk.

Både ARM Ltd och RISC-V International vill utveckla datorbranschen, men har olika idéer om det bästa sättet att göra det. I huvudsak beror skillnaden mellan ARM och RISC-V på hur mycket en central myndighet får besluta och begränsa.

Varför välja ARM eller RISC-V?

För att svara på denna fråga talade vi RISC-V Internationals VD Calista Redmond. Hon förklarade att där en gång chiptillverkare kunde hantera varje del av tillverkningen själva, måste de flesta företag idag samarbeta med andra företag för att få saker gjorda. ARM licensierar sin ISA till Apple, som till exempel säljer på TSMC. Redmond förklarade för mig att denna förändring i branschen hjälpte till att skapa öppningen för RISC-V, men hon hävdade att det också fanns en annan avgörande faktor: den ständigt växande marknaden för anpassade processorer.

Många industrier letar alltmer efter att integrera datorchips i verksamheten, och Redmond hävdade att endast RISC-V kunde tillgodose en så mångsidig skara kunder. RISC-V: s inneboende modularitet och designfrihet gör det till det perfekta valet, hävdade hon. Jämfört med ARM finns det dessutom inget behov av licensförhandlingar och avgifter, vilket gör det snabbare och billigare att använda RISC-V. Om ett företag inte vill använda den grundläggande RISC-V-designen och inte heller vill designa en på sin egen, kan den samarbeta med andra RISC-V-företag för att licensiera IP, vilket kan vara billigare än att gå igenom ÄRM.

Jag var också nyfiken på företagen som använder RISC-V. Intel är till exempel medlem i RISC-V International, men de tillverkar även x86-processorer. Skulle inte Intel se RISC-V som en konkurrent, inte en partner? Redmond förklarade att det handlar om Intels olika verksamheter. Intel gör x86-processorer, men de äger också sina egna fabs, en nu unik egenskap hos Intels struktur. Det är mer lönsamt för Intel att tillverka RISC-V-processorer än att inte göra det.

En annan RISC-V-medlem, Nvidia, ser RISC-V-processorer som ett meningsfullt tillskott till sina GPU: er, även när företaget strävade efter en affär om att förvärva ARM.

Ted Speers, chef för produktarkitektur och planering på Microchip och styrelseledamot på RISC-V International, berättade att där dess dotterbolag, Microsemi, en gång använde ARM i sina system på chip (S0C)-designer, är dess flaggskepps-SoCs idag baserade på RISC-V-processorer istället. Enligt Speers berodde detta på lägre utvecklings- och licenskostnader, bättre långsiktighet och flexibilitet och bättre förmåga att möta de unika behov som en Microsemi FPGA SoC skulle ha. Han noterade också att eftersom Microsemi inte var särskilt inbäddad i ARM-ekosystemet och inte förlitade sig särskilt på ARM ISA, var övergången inte så svår som den kunde ha varit.

ARM hävdar för sin del att de har mycket mer pengar för att finansiera FoU och utveckla teknik för sina kunder, medan RISC-V International inte och bara tillhandahåller en ISA. ARM väckte också farhågor om att användningen av RISC-V skulle kunna resultera i "fragmentering", vilket i grunden är en brist av standarder inom en bransch som skapar ett hinder för kompatibilitet i både hårdvara och programvara. Eftersom ARM tillhandahåller standardiserade kärnor undviks risken för fragmentering. Medan RISC-V ser denna standardisering som en svaghet, hävdar ARM att det är en styrka.

ARM tar upp en bra poäng. Många företag är helt nöjda med tekniken den tillhandahåller, även om ingen får modifiera den helt. Apple tillverkar kraftfulla ARM-processorer inte bara för Macbook-datorer utan även Mac-datorer, och Amazons Graviton-server CPU förväntas ge viss konkurrens till Intels Xeon och AMDs Epyc. Det är också användbart det Android OS kan köras på i princip alla smartphone.

Men borde alla verkligen använda ARM bara för att se till att allt är på samma ISA? Det är inte intuitivt att min telefon ska ha samma CPU-kärnor som till exempel Microsemis FPGA SoC. Resonemanget ARM gav mig för att använda sin ISA istället för RISC-V: s verkar lite skakigt utanför slutanvändarnas datorer och servrar.

I slutändan kommer det att avgöras på marknaden vilken ISA som är överlägsen. I flera år har ARMs fäste varit telefoner, men ISA ser en ökad användning inom andra sektorer. Produkter som Samsungs Galaxy Book Go, en ARM-baserad Windows-bärbar dator, och Apples M1-drivna Macbooks utmanar Intel och AMD på den bärbara marknaden. ARM-serverprocessorer utvecklas av Amazon och Ampere, en annan expansion till traditionellt x86-territorium.

Samtidigt ser RISC-V sin största väg för expansion inom industrisektorn, IoT-enheter och A.I. Det här är inte typen av ARM vs. x86-bråk vi ser idag, men det är svårt att föreställa sig att ARM klarar sig bra med RISC-V som potentiellt kan ta sig in i dessa tillväxtmarknader. År 2025 är RISC-V mycket övertygad om att så mycket som 14 % av hela CPU-marknaden kommer att använda RISC-V-processorer.

Vi får vänta och se vems framtidsvision som visar sig vara korrekt, men det verkar klart för nu att både RISC-V och ARM-hårdvara har en plats på marknaden.

Redaktörens rekommendationer

• Vad är RISC-V?