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jueves, 5 de noviembre de 2020

Una alternativa abierta a Intel y ARM: ¿Qué es RISC-V?

 

Un cartel con el logotipo de RISC-V en una conferencia.

Si desea construir una computadora de código abierto, puede hacerlo, si está hablando de software. El procesador bajo el capó, sin embargo, es propietario. RISC-V es un diseño de procesador de código abierto que está ganando terreno rápidamente y promete cambiar el panorama informático.

Una alternativa a los diseños de Intel y ARM

En la actualidad, reinan dos diseños de procesadores: los creados por ARM y el x86 de Intel. Si bien ambas empresas operan a una escala enorme, sus modelos comerciales son fundamentalmente diferentes.

Intel diseña y fabrica sus propios chips, mientras que ARM licencia sus diseños a diseñadores de terceros, como Qualcomm y Samsung, que luego agregan sus propias mejoras. Si bien Samsung tiene la infraestructura para fabricar sus procesadores internamente, Qualcomm (y otros diseñadores "fabless") subcontrata este importante trabajo a terceros.

En el caso de ARM, esto también suele requerir que los otorgantes de licencias firmen acuerdos de no divulgación diseñados para mantener privados aspectos del diseño de un chip. Eso no es sorprendente, considerando que todo su modelo de negocio no se basa en la fabricación, sino en la propiedad intelectual.

Mientras tanto, Intel tiene sus propios secretos de diseño comercial bajo llave. Dado que ambos tipos de procesadores son comerciales, es difícil (si no del todo imposible) para los académicos y los piratas informáticos de código abierto influir en el diseño.

En qué se diferencia RISC-V

RISC-V es tremendamente diferente. Primero, no es una empresa. Fue concebido por primera vez en 2010 por académicos de la Universidad de California en Berkeley  como una alternativa de código abierto libre de regalías a los titulares existentes.

Es similar a instalar Linux en lugar de Windows, por lo que no tiene que comprar nada ni aceptar acuerdos de licencia onerosos. RISV-V tiene como objetivo hacer lo mismo para la investigación y el diseño de semiconductores.

ARM también licencia tanto la arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA), que se refiere a los comandos que un procesador puede entender de forma nativa, como la microarquitectura, que muestra cómo se puede implementar.

RISC-V simplemente ofrece el ISA, lo que permite a los investigadores y fabricantes definir cómo realmente quieren usarlo. Esto lo hace escalable para dispositivos de todo tipo, desde chips de 16 bits de baja potencia para sistemas integrados hasta procesadores de 128 bits para supercomputadoras.

Como sugiere el nombre, RISC-V usa los principios de computadora de conjunto de instrucciones reducido (RISC), al igual que los chips basados ​​en diseños ARM, MIPS, SPARC y Power.

¿Qué significa esto? Bueno, en el corazón de cualquier procesador de computadora, hay cosas llamadas instrucciones. En los términos más básicos, estos son pequeños programas representados en hardware que le dicen al procesador qué hacer.

Los chips basados ​​en RISC suelen tener menos instrucciones que los chips que utilizan un diseño informático de conjunto de instrucciones complejas (CISC), como los que ofrece Intel. Además, las instrucciones en sí mismas son mucho más sencillas de implementar en el hardware.

Las instrucciones más simples significan que los fabricantes de chips pueden ser mucho más eficientes con sus diseños de chips. La compensación es que estas tareas relativamente complejas no las realiza el procesador. En cambio, se dividen en varias instrucciones más pequeñas por software.

Como resultado, RISC se ha ganado el sobrenombre de Relegar las cosas importantes al compilador. Si bien eso suena como algo malo, no lo es. Sin embargo, para comprenderlo, primero debe comprender qué es realmente un procesador de computadora.

El procesador de su teléfono o computadora consta de miles de millones de pequeños componentes llamados transistores. En el caso de chips basados ​​en CISC, muchos de estos transistores representan las diversas instrucciones disponibles.

Dado que los chips RISC tienen menos instrucciones y más simples, no necesita muchos transistores. Esto significa que tiene más espacio para hacer muchas cosas interesantes. Por ejemplo, podría incluir más registros de memoria caché y memoria, o funcionalidad adicional para procesamiento de gráficos e inteligencia artificial.

También puede hacer que el chip sea físicamente más pequeño utilizando menos transistores en general. Esta es la razón por la que los chips basados ​​en RISC de MIPS y ARM se encuentran con frecuencia en dispositivos de Internet de las cosas (IoT).

La necesidad de velocidad

Un ingeniero que sostiene un chip de computadora.

Por supuesto, la concesión de licencias no es la única razón fundamental para RISC-V. David Patterson, quien dirigió los primeros proyectos de investigación en el diseño de procesadores RISC, dijo que RISC-V fue diseñado para abordar los límites inminentes en el rendimiento de la CPU que se pueden obtener de las mejoras de fabricación.

Cuantos más transistores pueda colocar en un chip, más capaz se volverá un procesador. Como resultado, los fabricantes de chips como TSMC y Samsung (que fabrican procesadores en nombre de terceros) están trabajando arduamente para reducir aún más el tamaño de los transistores.

El primer microprocesador comercial, el Intel 4004, tenía solo 2.250 transistores, cada uno de los cuales medía 10.000 nanómetros (aproximadamente 0,01 mm). Pequeño, ciertamente, pero contrasta con el procesador A14 Bionic de Apple, lanzado 40 años después. Ese chip (que alimenta el nuevo iPad Air) tiene 11.800 millones de transistores, cada uno de los cuales mide 5 nanómetros de ancho.

En 1965, Gordon E. Moore, cofundador de Intel, teorizó que la cantidad de transistores que podrían colocarse en un chip se duplicaría cada dos años.

“La complejidad de los costos mínimos de los componentes ha aumentado a una tasa de aproximadamente un factor de dos por año”, escribió Moore en la edición del 35 aniversario de la  revista Electronics . “Ciertamente, en el corto plazo, se puede esperar que esta tasa continúe, si no que aumente. A largo plazo, la tasa de aumento es un poco más incierta, aunque no hay razón para creer que no se mantendrá casi constante durante al menos 10 años ".

Se espera que la Ley de Moore deje de aplicarse en esta década. También existen considerables dudas sobre si los fabricantes de chips pueden continuar esta tendencia hacia la miniaturización a largo plazo. Esto se aplica tanto al nivel científico básico como al económico.

Después de todo, los transistores más pequeños son mucho más complicados y costosos de fabricar. TSMC, por ejemplo, gastó más de $ 17 mil millones en su fábrica para crear chips de 5 nm. Dada esta pared de ladrillos, Risk-V tiene como objetivo abordar el problema del rendimiento buscando formas además de reducir el tamaño y la cantidad de transistores.

Las empresas ya utilizan RISC-V

El proyecto RISC-V comenzó en 2010, y el primer chip que usaba ISA se fabricó en 2011. Tres años más tarde, el proyecto se hizo público y pronto siguió el interés comercial. La tecnología ya está siendo utilizada por empresas como NVIDIA, Alibaba y Western Digital.

La ironía es que no hay nada intrínsecamente innovador en RISC-V. La Fundación señala en su página web: "El RISC-V ISA se basa en ideas de arquitectura informática que se remontan al menos a 40 años".

Sin embargo, lo que podría decirse que es innovador es el modelo de negocio, o la falta de uno. Es esto lo que expone el proyecto a la experimentación, el desarrollo y, potencialmente, el crecimiento sin restricciones. Como también señala la Fundación RISC-V en su sitio web:

"El interés se debe a que es un estándar común libre y abierto al que se puede migrar el software y que permite a cualquier persona desarrollar libremente su propio hardware para ejecutar el software".

En el momento de escribir este artículo, los chips RISC-V trabajan en gran medida tras bambalinas en granjas de servidores y como microcontroladores. Queda por ver si existe algún potencial para sacudir el duopolio ARM / Intel ISA en el espacio del consumidor.

Sin embargo, si los titulares se estancan, existe la posibilidad de que un caballo oscuro pueda entrar al galope y cambiar todo.

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