直指行動晶片市場,開源的處理器指令集架構釋出

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 08 日 8:24 | 分類 晶片 , 物聯網 , 精選 follow us in feedly

IoT(Internet of things,物聯網)做為下世代的產業應用,欲藉著在現有的設備中加入微型電腦,將所有東西連上網路來創造新的應用。然而,現行的微型電腦價格依然過高,拖慢 IoT 的發展。其中,在整個微型電腦架構中,最貴的非 CPU 莫屬了。



現在的 IoT 市場,大多考慮採用 ARM 架構的 CPU。雖然相較於其他的處理器平台,ARM 的授權相對靈活,但對 IoT 廠商來說價格仍偏高,使得行動 CPU 的成本價格遲遲降不下來。因此,現行市場急需低成本且穩定的新架構。於是,RISC-V,做為開源的新架構, 躍上舞台。

在 CPU 中,指令集架構(Instruction Set Architecture,ISA),扮演著重要的角色,ISA 是電腦的基礎,整個系統皆順其而生。此外,ISA 會影響作業系統的種類以及軟體的支援程度,因此,每個 ISA 皆有各自的生態。那麼市場上常見的 ISA 有哪些呢?

現行市場主流的指令集架構,能見度最高的就屬 X86 和 ARM,X86 由 Intel 主導,也是目前個人電腦的主流,ARM 則是採用授權的方式釋出,在行動裝置崛起後,在手機、平板等各式嵌入式系統中廣為使用。其他 ISA 在這種狀況下可說是愈來愈少見了。

然而,X86 和 ARM 的專利被少數幾家把持住,廠商需要付出高額的授權費才能使用 ARM,X86 甚至不授權給予其他廠商使用。在物聯網裝置都需要內建微型電腦來運作下,為 ISA 授權金墊高的成本就造成了另一種阻礙。

 

避免授權金突圍,RISC-V 登場

做為開源的 ISA,RISC-V 是由 UC Berkeley 所發展的,RISC-V 正試著挑戰現行主流的指令集架構。藉由 RISC-V,UC Berkeley 正試著從頭打造一個全新的生態系,並將其開放,讓所有人都可以使用。但是,為何要重新建造一個全新的指令集架構?

以開源的角度來說,軟體的生態系比晶片的生態系完善。在軟體世界中,任何一套商業軟體大多有和其功能類似的開源版本,且功能不遜於商業版本。但是,至今卻沒有高能見度的開源 ISA 在市場中出現,如果有一套穩定且好用的開源 ISA 出現,或將打破現行被壟斷的情形,避免授權所帶來的開發成本,也可能改善現在持有 ISA 專利的廠商對授權的態度。

 

簡單易上手開發的優勢

除了授權的問題外,X86 和 ARM 的手冊皆有上千多頁,對工程師而言是相當大的負擔,因為要設計一顆 CPU,工程師就要熟悉 ISA 中的所有規定,越熟悉才能設計出越好的 CPU。至於 RISC-V 則只需要約 100 頁左右,大幅縮小工程師的負擔。

官網上的文件可以知道,RISC-V 只有大約 100 個 Instructions,且不會再增加。如此便不需為了新增指令而增加新的電路,增加晶片的面積。此外,RISC-V 提供 16、32、64bits 等多種記憶體定址方式,讓廠商有更多的選擇。

在軟體支援方面,因為 RISC-V 是全新的指令集架構,因此現行的軟體都要做修整方能配合使用。為了做後續的發展,他們已經為 RISC-V 開發出 GCC / glibc / GDB、LLVM / Clang、Linux、Yocto、Verification Suite 等軟體。

在硬體開發工具部分,他們設計出全新的硬體描述語言 Chisel,以 Scala 為語言核心,輔以硬體開發工具,可以將 Scala 所開發出的電路輕易地轉換成 C++ 的電路模擬,或者 FPGA、ASIC 用的 Verilog Code,並進行合成和繞線,提升硬體設計的效率。

 

實做產品足以挑戰 ARM

為了證明 RISC-V 的實際效能,UC Berkeley 甚至實際設計出一顆晶片,並將其製作出來。為了確保公平性,還特別選用和 ARM Cortex-A5 相同的台積電製程。從下圖可以得知,採用 RISC-V 的 CPU 不但面積比較小,運算速度較快,而且還耗較少的電。足以證明 RISC-V 做為新進者,已經具有挑戰 ARM 的潛力。

RISC-V form

(Source:RISC-V 官網

至此,可以了解 RISC-V 的基本生態圈已經建立起來。但是,距離正式商業性產品的發表還需要一段時間,將來會如何發展尚未明瞭。不過,從 RISC-V Rocket 的效能來看,要進入 IoT 的市場是相當容易的。此外,他們已經將設計且驗證完的 CPU 程式碼變成 open source,在官網中便可找到。

(首圖來源:Flickr/qwikrex CC BY 2.0) 

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