ARM กับ RISC-V: อันหนึ่งดีกว่าอันอื่นหรือไม่?

หากคุณต้องการสร้าง CPU และคุณไม่ใช่ AMD หรือ Intel มีสองตัวเลือกที่แท้จริง: ARM และ RISC-V แต่อะไรคือความแตกต่างระหว่างทั้งสอง และเหตุใดบริษัทต่างๆ จึงเลือกอันหนึ่งมากกว่าอีกอันหนึ่ง คำถามเหล่านี้เกี่ยวพันโดยพื้นฐานกับปรัชญาที่แตกต่างกันเกี่ยวกับฮาร์ดแวร์โอเพ่นซอร์ส และสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับโปรเซสเซอร์และอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์

ARM และ RISC-V คืออะไร

ARM และ RISC-V เป็นสถาปัตยกรรมชุดคำสั่งหรือ ISA ISA เป็นรากฐานของโปรเซสเซอร์และเป็นองค์ประกอบพื้นฐานและเป็นพื้นฐานที่สุดของ CPU ใดๆ ISA ทั้งสองมีการออกแบบชุดคำสั่งคอมพิวเตอร์แบบย่อ (หรือ RISC) ซึ่งหมายความว่าคำสั่งพื้นฐานที่ CPU เข้าถึงได้นั้นเรียบง่ายแต่ก็คำนวณได้เร็วตามหลักการ จริงๆ แล้ว 'R' ใน ARM ย่อมาจาก RISC (แม้ว่า ARM จะไม่ถือเป็นตัวย่ออีกต่อไป) ดังนั้นในแง่นี้ ISA ทั้งสองจึงคล้ายกัน

ผู้ออกแบบ ARM ดั้งเดิมคือ Acorn Computers ซึ่งตั้งอยู่ในอังกฤษ ในปี 1990 Acorn Computers ได้แยกทีมออกแบบ CPU ออกเป็น Advanced RISC Machines ต่อมาคือ ARM Ltd. รูปแบบธุรกิจการออกใบอนุญาตของ ARM เกิดขึ้นในยุค 90 ผ่านการร่วมมือกับ Apple ซึ่งช่วยพัฒนาสถาปัตยกรรม ARM6 ที่เปิดตัวในปี 1992 นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ARM ได้ออกใบอนุญาตสถาปัตยกรรม ARM ให้กับบริษัทที่สามารถชำระเงินได้

ในทางกลับกัน RISC-V เป็น ISA แบบโอเพ่นซอร์สและไม่มีค่าลิขสิทธิ์โดยสิ้นเชิง. เริ่มพัฒนาในปี 2010 โดยเป็นโครงการของ Parallel Computing Laboratory ของ UC Berkeley แต่ตลอดระยะเวลา 5 ปีกลับกลายเป็นสิ่งที่ยิ่งใหญ่กว่ามาก ในที่สุด บริษัทเทคโนโลยี 36 แห่งก็รวมตัวกันเพื่อสนับสนุน RISC-V และก่อตั้งมูลนิธิ RISC-V ในปี 2020 มูลนิธิ RISC-V ได้เปลี่ยนชื่อเป็น RISC-V International

ARM และ RISC-V อยู่ห่างไกลจาก ISA เพียงแห่งเดียวในตลาด แต่เป็นหนึ่งใน ISA ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดนอกเหนือจาก x86 (ซึ่งเป็นเอกสิทธิ์ของ Intel และ AMD) และ Power (ซึ่งจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้เป็นเอกสิทธิ์ของ IBM และตอนนี้เปิดให้บริการแล้ว) แหล่งที่มา).

แรงจูงใจทั่วไปประการหนึ่งสำหรับ ARM และ RISC-V คือแนวทางที่แตกต่างกันไปยัง x86 ISA แบบปิด ซึ่งจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ISA ที่ใช้มากที่สุดในโลกในตลาดต่างๆ x86 ISA ไม่ได้เป็นสากลหรือมีอำนาจเหนือกว่าอย่างที่เคยเป็นมา แต่ทั้ง Intel และ AMD ยังคงเป็นกองกำลังที่โดดเด่นใน ตลาดเดสก์ท็อป แล็ปท็อป และเซิร์ฟเวอร์ รวมถึงตลาดขนาดเล็กบางแห่ง เช่น เกมคอนโซล และ 5จี เซิร์ฟเวอร์เครือข่าย

แม้ว่าทั้ง ARM และ RISC-V จะรวมกันเป็นหนึ่งเดียวกันในความปรารถนาที่จะแย่งส่วนแบ่งตลาดจาก x86 แต่พวกเขาก็แข่งขันกันเองเช่นกัน รูปแบบธุรกิจและปรัชญาการออกแบบของ ARM เป็นหนึ่งในปัจจัยจูงใจเบื้องหลังการพัฒนา RISC-V และเป็นจุดสำคัญของความขัดแย้งระหว่าง ISA ที่ใช้ RISC ทั้งสองแห่ง

แหล่งปิดเทียบกับ โอเพ่นซอร์ส

หัวใจของความแตกต่างระหว่าง ARM และ RISC-V คือเรื่องของฮาร์ดแวร์แบบปิดและแบบโอเพ่นซอร์ส ARM เป็นระบบปิดในขณะที่ RISC-V เป็นโอเพ่นซอร์ส คุณคงเคยได้ยินคำศัพท์เหล่านี้เกี่ยวกับซอฟต์แวร์ แต่สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับฮาร์ดแวร์

โดยพื้นฐานแล้วมันเกี่ยวกับทรัพย์สินทางปัญญา (หรือ IP) และสิทธิ์ในการใช้ทรัพย์สินทางปัญญานั้น ตัวอย่างเช่น มีเพียง Intel และ AMD เท่านั้นที่สามารถสร้างโปรเซสเซอร์ x86 สมัยใหม่ได้ เนื่องจากตามกฎหมายแล้วพวกเขามีสิทธิ์ IP ฮาร์ดแวร์โอเพ่นซอร์สแทบจะตรงกันข้าม เนื่องจากมีศูนย์กลางอยู่ที่การออกแบบที่ทุกคนสามารถใช้และแก้ไขได้ฟรีตามที่เห็นสมควร นี่คือจุดที่ปรัชญาของ ARM และ RISC-V ขัดแย้งกัน เนื่องจากแม้ว่า ARM จะออกใบอนุญาตสถาปัตยกรรมของตน (ไม่เหมือนกับ Intel และ AMD) แต่ท้ายที่สุดแล้ว บริษัทก็ยังเป็นผู้เฝ้าประตู

กลับมาที่โมเดลธุรกิจของ ISA แต่ละอันกัน ARM ISA เป็นเจ้าของโดยบริษัท ARM Ltd ซึ่งสร้างรายได้จากการออกใบอนุญาตสถาปัตยกรรมให้กับบริษัทที่มีกำลังซื้อ แกน ARM พื้นฐานได้รับการออกแบบและพัฒนาโดย ARM Ltd เอง และบริษัทอย่าง Apple และ Qualcomm สามารถเพิ่มแกนเหล่านี้เพื่อให้เหมาะกับความต้องการของพวกเขา

CPU ของ Apple M1 และ Qualcomm Snapdragon ยังคงเป็น ARM แต่ได้รับการปรับแต่งเอง มันเหมือนกับความแตกต่างระหว่างซีพียู Intel และ AMD และถึงแม้จะมีความแตกต่างอย่างมากระหว่าง Core และ Ryzen หรือ Xeon และ Epyc พวกมันทั้งหมดยังคงเป็นซีพียู x86

อย่างไรก็ตาม บริษัทที่ใช้ ARM ISA จะไม่ได้รับอนุญาตให้แก้ไขแกนพื้นฐานเอง RISC-V International และบริษัทต่างๆ ที่ใช้ RISC-V มองว่านี่เป็นข้อจำกัดที่สำคัญ และเมื่อรวมกับค่าธรรมเนียมใบอนุญาตแล้ว ทำให้การใช้ ARM ไม่เป็นที่ต้องการ แล้ว RISC-V มีทางเลือกอะไรให้บ้าง?

สำหรับผู้เริ่มต้น บริษัทต่างๆ สามารถใช้ RISC-V ISA ได้ฟรี: ไม่มีค่าธรรมเนียมใบอนุญาต ไม่มีค่าลิขสิทธิ์ และไม่มีการผูกมัดใดๆ บริษัทต่างๆ ยังได้รับอนุญาตให้ทำทุกอย่างที่ต้องการด้วยคอร์ RISC-V สิ่งนี้จะช่วยลดอุปสรรคในการเข้าสู่การสร้าง CPU ใดๆ ได้อย่างแน่นอน ไม่ว่าจะกำหนดเองหรือไม่ก็ตาม

แต่ดังที่ผู้เสนอซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สมักจะพูดว่า “โอเพ่นซอร์สไม่ได้หมายความว่าฟรี” บริษัทที่ใช้ RISC-V ได้แก่ ไม่จำเป็นต้องแบ่งปันนวัตกรรมของตนกับใครก็ตาม แม้ว่าพวกเขาจะมีอิสระในการอนุญาตและขาย IP ของตนเช่นเดียวกับ ARM สามารถ.

ทั้ง ARM Ltd และ RISC-V International ต้องการพัฒนาอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ แต่มีแนวคิดที่แตกต่างกันเกี่ยวกับวิธีที่ดีที่สุด โดยพื้นฐานแล้ว ความแตกต่างระหว่าง ARM และ RISC-V ขึ้นอยู่กับว่าหน่วยงานกลางมีสิทธิ์ในการตัดสินใจและจำกัดจำนวนเท่าใด

เหตุใดจึงเลือก ARM หรือ RISC-V

เพื่อตอบคำถามนี้ เราได้พูดคุยกับ Calista Redmond ซีอีโอของ RISC-V International เธออธิบายว่าเมื่อผู้ผลิตชิปสามารถจัดการทุกส่วนของการผลิตได้ด้วยตนเอง ในปัจจุบัน บริษัทส่วนใหญ่ต้องทำงานร่วมกับบริษัทอื่นเพื่อทำสิ่งต่างๆ ให้สำเร็จ ARM ให้สิทธิ์ ISA แก่ Apple ซึ่งทำผลงานได้ที่ TSMC เป็นต้น Redmond อธิบายให้ฉันฟังการเปลี่ยนแปลงนี้ในอุตสาหกรรมช่วยสร้างช่องว่างสำหรับ RISC-V แต่เธอแย้งว่ายังมีปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง: ตลาดที่ขยายตัวอย่างต่อเนื่องสำหรับโปรเซสเซอร์แบบกำหนดเอง

อุตสาหกรรมจำนวนมากกำลังมองหาการบูรณาการชิปคอมพิวเตอร์เข้ากับธุรกิจมากขึ้น และ Redmond ยืนยันว่ามีเพียง RISC-V เท่านั้นที่สามารถตอบสนองกลุ่มลูกค้าที่หลากหลายเช่นนี้ได้ ความเป็นโมดูลาร์และอิสระในการออกแบบโดยธรรมชาติของ RISC-V ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด เธอแย้ง นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับ ARM แล้ว ไม่จำเป็นต้องเจรจาเรื่องใบอนุญาตและค่าธรรมเนียม ทำให้การใช้ RISC-V รวดเร็วและถูกกว่า หากบริษัทไม่ต้องการใช้การออกแบบ RISC-V ขั้นพื้นฐานและไม่ต้องการออกแบบบนนั้นด้วย ของตัวเองก็สามารถทำงานร่วมกับบริษัท RISC-V อื่น ๆ เพื่อขอใบอนุญาต IP ซึ่งอาจถูกกว่าการผ่าน แขน.

ฉันยังสงสัยเกี่ยวกับบริษัทที่ใช้ RISC-V อีกด้วย ตัวอย่างเช่น Intel เป็นสมาชิกของ RISC-V International แต่ก็ผลิตโปรเซสเซอร์ x86 ด้วยเช่นกัน Intel จะไม่มองว่า RISC-V เป็นคู่แข่ง ไม่ใช่พันธมิตรใช่หรือไม่ Redmond อธิบายว่ามันขึ้นอยู่กับธุรกิจต่างๆ ของ Intel Intel สร้างซีพียู x86 แต่พวกเขายังเป็นเจ้าของแฟบของตัวเองด้วย ซึ่งเป็นคุณลักษณะเฉพาะของโครงสร้างของ Intel ในปัจจุบัน การที่ Intel สร้างโปรเซสเซอร์ RISC-V ขึ้นมานั้นมีประโยชน์มากกว่าการไม่ทำเช่นนั้น

Nvidia สมาชิก RISC-V อีกคนมองว่าซีพียู RISC-V เป็นส่วนเสริมที่มีความหมายสำหรับ GPU แม้ว่าบริษัทจะติดตามก็ตาม ข้อตกลงเพื่อซื้อ ARM.

Ted Speers หัวหน้าฝ่ายสถาปัตยกรรมผลิตภัณฑ์และการวางแผนของ Microchip และสมาชิกคณะกรรมการของ RISC-V International บอกเราว่า ที่ซึ่งบริษัทในเครืออย่าง Microsemi ซึ่งครั้งหนึ่งเคยใช้ ARM ในการออกแบบระบบบนชิป (S0C) ของตน ในปัจจุบัน SoC ระดับเรือธงของบริษัทนั้นใช้ซีพียู RISC-V แทน. จากข้อมูลของ Speers สาเหตุมาจากต้นทุนการพัฒนาและใบอนุญาตที่ลดลง แนวโน้มและความยืดหยุ่นในระยะยาวที่ดีขึ้น และความสามารถที่ดีขึ้นในการตอบสนองความต้องการเฉพาะที่ Microsemi FPGA SoC จะมี นอกจากนี้เขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่าเนื่องจาก Microsemi ไม่ได้ถูกฝังอยู่ในระบบนิเวศของ ARM โดยเฉพาะและไม่ได้พึ่งพา ARM ISA เป็นพิเศษ การเปลี่ยนแปลงจึงไม่ได้ยากเท่าที่ควร

ในส่วนของ ARM อ้างว่ามีเงินมากขึ้นเพื่อสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาและพัฒนาเทคโนโลยีให้กับลูกค้า ในขณะที่ RISC-V International ไม่ได้ให้บริการ ISA เท่านั้น ARM ยังแสดงความกังวลว่าการใช้ RISC-V อาจส่งผลให้เกิด "การกระจายตัว" ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการขาด ของมาตรฐานทั่วทั้งอุตสาหกรรมที่สร้างอุปสรรคต่อความเข้ากันได้ทั้งฮาร์ดแวร์และ ซอฟต์แวร์. เนื่องจาก ARM มีคอร์ที่ได้มาตรฐาน ความเสี่ยงของการกระจายตัวจึงถูกหลีกเลี่ยง ในขณะที่ RISC-V มองว่ามาตรฐานนี้เป็นจุดอ่อน ARM แย้งว่าเป็นจุดแข็ง

ARM ชูจุดดี บริษัทหลายแห่งพอใจอย่างยิ่งกับเทคโนโลยีที่มีให้ แม้ว่าจะไม่มีใครได้รับอนุญาตให้ปรับเปลี่ยนเทคโนโลยีได้อย่างสมบูรณ์ก็ตาม Apple กำลังสร้างซีพียู ARM อันทรงพลังไม่เพียงแค่สำหรับ Macbook เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเดสก์ท็อป Mac ด้วย และ CPU เซิร์ฟเวอร์ Graviton ของ Amazon คาดว่าจะสามารถแข่งขันกับ Xeon ของ Intel และ Epyc ของ AMD ได้ มันก็มีประโยชน์เช่นกัน หุ่นยนต์ OS สามารถทำงานบนพื้นฐานอะไรก็ได้ สมาร์ทโฟน.

อย่างไรก็ตาม ทุกคนควรใช้ ARM จริงๆ เพียงเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างอยู่บน ISA เดียวกันหรือไม่ ไม่ใช่เรื่องง่ายที่โทรศัพท์ของฉันควรมีคอร์ CPU เดียวกันกับ FPGA SoC ของ Microsemi เหตุผลที่ ARM ให้ฉันใช้ ISA แทน RISC-V ดูเหมือนจะสั่นคลอนเล็กน้อยเมื่อใช้งานนอกคอมพิวเตอร์และเซิร์ฟเวอร์ของผู้ใช้ปลายทาง

ท้ายที่สุดแล้วจะมีการตัดสินในตลาดว่า ISA ใดเหนือกว่า หลายปีที่ผ่านมา ฐานที่มั่นของ ARM คือโทรศัพท์ แต่ ISA มองเห็นการใช้งานที่เพิ่มขึ้นในภาคอื่นๆ สินค้าเช่น Galaxy Book Go ของ Samsung, แล็ปท็อป Windows ที่ใช้ ARM และ Macbooks ที่ขับเคลื่อนด้วย M1 ของ Apple กำลังท้าทาย Intel และ AMD ในตลาดแล็ปท็อป ซีพียูเซิร์ฟเวอร์ ARM กำลังได้รับการพัฒนาโดย Amazon และ Ampere ซึ่งเป็นการขยายไปสู่ขอบเขต x86 แบบดั้งเดิม

ในขณะเดียวกัน RISC-V มองเห็นหนทางที่ใหญ่ที่สุดในการขยายภาคอุตสาหกรรม อุปกรณ์ IoT และ A.I. นี่ไม่ใช่ประเภทของ ARM เทียบกับ การทะเลาะวิวาท x86 ที่เราเห็นอยู่ทุกวันนี้ แต่ก็ยากที่จะจินตนาการว่า ARM จะโอเคกับ RISC-V ที่อาจเข้ามาในตลาดเกิดใหม่เหล่านี้ ภายในปี 2568 RISC-V มั่นใจมากว่ามากถึง 14% ของตลาด CPU ทั้งหมดจะใช้โปรเซสเซอร์ RISC-V

เราจะต้องรอดูว่าวิสัยทัศน์ในอนาคตของใครจะถูกต้อง แต่ตอนนี้ดูเหมือนชัดเจนแล้วว่าทั้งฮาร์ดแวร์ RISC-V และ ARM มีที่ในตลาด

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• RISC-V คืออะไร?