Здравствуйте, дорогие друзья и подписчики нашего канала! Мы с вами погрузимся в изучение относительно новой технологии RISC-V.
RISC-V представляет собой открытую систему команд и архитектуру для процессоров, которая доступна для свободного использования любой компанией. Её можно применять как в Linux, так и в веб-сервере Apache.
Как следует из названия, RISC-V основана на подходе RISC (reduced instruction set computer), который подразумевает использование оптимизированных команд в работе процессора. Это позволяет значительно повысить его производительность.
История появления RISC-V.
Идея создания открытой и расширяемой системы команд для процессоров зародилась в 2010 году в рамках исследований по изучению вычислительных систем в Калифорнийском университете Беркли в США. Этот проект получил поддержку одного из самых ярких сторонников концепции RISC — Дэвида Паттерсона.
Сегодня в разработке RISC-V принимают участие добровольцы из различных научных организаций, университетов и коммерческих компаний по всему миру. В отличие от многих других академических проектов, ориентированных на образовательные цели, RISC-V изначально разрабатывается с учетом широкого спектра возможных применений в компьютерной сфере.
Российские исследования вокруг RISC-V.
- Создание ассоциации «Альянс RISC-V».
22 сентября 2022 года был создан альянс, который ставит перед собой задачу активно развивать архитектуру RISC-V в России. В его состав вошли несколько ключевых игроков: производитель серверов и систем хранения данных Yadro («КНС групп»), разработчик процессоров «Байкал электроникс», группа «Астра», занимающаяся разработкой операционной системы Astra Linux, а также разработчик технологической программно-аппаратной платформы Vostok и Московский институт электронной техники, выступающий в роли научно-исследовательского учреждения.
- Старт программы раннего доступа к архитектуре RISC-V.
Она начала свою работу 21 мая 2024 года и предлагает компаниям использовать отладочные платы для микроконтроллеров. На первом этапе компании могут протестировать микроконтроллер MIK32 АМУР (К1948ВК018), который был разработан российским производителем микроэлектронной продукции «Микрон».
- Разработка и производство микроконтроллера «MIK 32 Амур».
Это первый полностью российский микроконтроллер с ядром на архитектуре RISC-V. Его разработала и производит в нашей стране группа «Элемент».
Судя в инфополе новостей, которые я нашёл, не ясно утверждение, что из-за текущей политической ситуации в мире российские компании были исключены из международного альянса, занимающегося разработкой RISC-V.
Особенности RISC-V.
А) Повышение энергоэффективности и производительности.
Наличие минимального интерфейса позволяет разработчикам процессорных ядер сосредоточиться на создании относительно небольшого набора инструкций. Это позволяет минимизировать количество используемых транзисторов, сократить затраты на разработку и снизить расходы на обслуживание процессорных ядер.
Б) Модульность и расширяемость.
Архитектура, созданная с целью лёгкого масштабирования и применения в различных областях, обеспечивает гибкость и удобство использования. Решения RISC-V могут быть адаптированы в соответствии с уникальными требованиями каждого конкретного приложения.
В) Удешевление разработки.
Единая открытая экосистема способствует снижению затрат на разработку компиляторов, операционных систем, драйверов и периферийных устройств.
Г) Обратная совместимость.
Базовый набор функций и основные расширения стандартизированы, что значительно упрощает процесс эмуляции программными средствами функций, которые не поддерживаются на аппаратном уровне.
Д) Безопасность.
Безопасность обеспечивается благодаря использованию проектов с открытым исходным кодом, инструментов для анализа состава программного обеспечения и специальных расширений.
Е) Отсутствие неявных внутренних состояний.
Результат любой операции (кроме команд перехода) всегда записывается в регистр общего назначения.
Ж) Компактный базовый набор инструкций.
В базовом наборе инструкций всего 11 основных арифметических операций, 10 команд для работы с памятью и 8 переходов.
З) 32 регистра общего назначения.
Это вдвое больше, чем у RISC-аналогов.
Основные цели развития RISC-V:
1) Повышение энергоэффективности и производительности.
Наличие минимального интерфейса позволяет разработчикам процессорных ядер реализовывать лишь относительно небольшой набор инструкций для создания полноценной рабочей системы. Это позволяет уменьшить количество используемых транзисторов, снизить затраты на разработку и уменьшить расходы на обслуживание процессорных ядер.
2) Модульность и расширяемость.
Сегодня существует множество систем команд с минимальным набором, и RISC-V не самый маленький из них. Однако главная сложность заключается в том, что минимальный набор команд не всегда является универсальным. RISC-V предлагает решение этой проблемы благодаря модульной структуре системы команд.
3) Удешевление разработки.
Единая открытая экосистема позволяет значительно снизить расходы на разработку компиляторов, операционных систем, драйверов и периферийных устройств. Благодаря открытым репозиториям RISC-V, в которых содержится множество уже реализованных решений, а также многолетней поддержке сообщества, затраты на создание новых продуктов могут быть существенно сокращены.
4) Обратная совместимость.
Наследуемые программы, созданные для старых процессоров, которые не имеют новых расширений, должны работать без перекомпиляции на новых процессорах с аналогичной архитектурой и системой команд, но с большим количеством расширений.
Кроме того, требуется совместимость библиотек на бинарном уровне. Статическая библиотека, скомпилированная для одной операционной системы и конкретного процессора, может быть использована и на другой ОС с другим процессором. Это возможно благодаря совместимости на уровне компилятора и самого процессора.
RISC-V направлен на обеспечение обратной совместимости. Базовый набор команд и основные расширения стандартизованы, что значительно упрощает программную эмуляцию функциональности, которая не поддерживается аппаратно.
5) Безопасность.
Критически важное программное обеспечение обычно проходит процесс сертификации и верификации, стоимость которого может многократно превышать затраты на его разработку. Однако, даже если корректность ядра операционной системы доказана и процедура сертификации завершена, изменить аппаратное обеспечение не представляется возможным.
По этой причине система команд Power стала неотъемлемой частью гражданской авиации. Если в каком-либо процессоре обнаружена уязвимость, заменить его на аналогичный с той же архитектурой может быть сложно. В случае с RISC-V, можно использовать другой процессор, пусть и не такой эффективный, но без уязвимостей. При этом унаследованное программное обеспечение можно запустить на нём с минимальными затратами усилий и времени.
Именно взаимозаменяемость процессоров позволяет RISC-V обеспечить безопасность.
Недостатки RISC-V:
- Недостаток экосистемы.
По сравнению с более устоявшимися архитектурами, такими как x86 и ARM, экосистема RISC-V может быть менее развитой. Это влияет на доступность инструментов и библиотек для разработчиков.
- Отсутствие стандартов в некоторых областях.
В таких сферах, как поддержка многозадачности или виртуализации, для RISC-V может отсутствовать единый стандарт, что затрудняет совместимость между различными реализациями.
- Больший объём кода.
Для достижения тех же функциональных возможностей при работе с новой архитектурой может потребоваться больше кода, чем при использовании других архитектур. Это может сказаться на размере чипов и объёме памяти, необходимой для хранения кода.
- Ограниченные средства анализа и оптимизации кода.
Инструментарий для анализа и оптимизации кода может быть менее развитым, чем для некоторых других архитектур. Это может повлиять на эффективность и производительность программ.
- Низкая совместимость с существующими кодовыми базами.
Если вы переходите от других архитектур к RISC-V, особенно если у вас уже есть обширные кодовые базы, то вам может потребоваться преобразование и адаптация существующего программного обеспечения.
- Ограниченная производительность в отдельных сценариях.
В некоторых приложениях, которые требуют большого количества вычислений или сложных инструкций, для обеспечения максимальной производительности могут использоваться более сложные архитектуры.
- Вопросы интеллектуальной собственности, связанные с конкретными расширениями RISC-V.
Процессоры, поддерживающие RISC-V:
1) Microchip PolarFire
Платформа PolarFire от Microchip представляет собой флагманскую систему на базе RISC-V, где часть готового процессора выполнена непосредственно на межсоединении FPGA. Линейка продуктов PolarFire охватывает широкий спектр компонентов и различных номеров, все они разработаны с целью обеспечения минимального энергопотребления и высокой вычислительной плотности во встраиваемых приложениях.
Этот FPGA SoC (System on Chip) может быть легко настроен с помощью Libero SoC Design Suite. Основной IP-код доступен для использования на платформе PolarFire, что открывает широкие возможности для разработчиков.
С точки зрения аппаратных возможностей, система поддерживает трансиверы со скоростью 12.7 Gbps и I/O для PCIe 2.
2) Efinix.
Это небольшой производитель полупроводниковых устройств, который интегрировал RISC-V в свою интеллектуальную собственность. Компания предлагает два решения SoC: Trion и Titanium.
3) Sapphire SoC.
Эта реализация RISC-V представляет собой настраиваемую конфигурацию, в которой можно выбрать тип контроллера памяти: DDR или HyperRAM. Встроенное ядро устройства включает множество интерфейсов: до 32 GPIO, 3 I2C-мастера, 3 SPI-мастера и 3 UART.
4) Edge Vision SoC.
Эта библиотека предназначена для приложений в области компьютерного зрения и включает в себя стандартные интерфейсы, которые активно используются в соответствующих системах. С помощью инструментов разработчика к этому интеллектуальному продукту (IP) можно легко добавить дополнительные пользовательские функции, такие как специализированные блоки обработки сигналов (DSP) или возможности по манипулированию данными.
5) Bluespec Inc., официальный партнер по разработке для Xilinx.
Теперь эта библиотека позволяет реализовать 32-битные ядра RISC-V на FPGA от Xilinx. Этот IP-ядро SoC предназначено для приложений, требующих одноядерного процессора, работающего под управлением Linux на FPGA.
RISC-V RV32IMAC SCL поддерживает основные целочисленные инструкции RISC-V (I), целочисленное умножение и деление (M), атомарные (A) и сжатые (C) инструкции, а также инструкции для работы с одинарной и двойной точностью (FD).
Пользователи могут реализовать IP-ядра Bluespec RISC-V 32IM на FPGA от Xilinx, используя стандартный набор инструментов разработки в среде Vivado IDE.
6) Picocom PC802 5G NR SoC.
Специализированный процессор, предназначенный для небольших 5G NR-ячеек. Он взаимодействует с радиомодулями через интерфейс O-RAN Open Fronthaul eCPRI или JESD204B.
7) Intel начинает поддерживать RISC-V через своё новое подразделение, занимающееся литейным производством. Это позволяет компаниям, у которых нет собственного производства, создавать дизайны, которые будут совместимы с возможностями обработки кремния от Intel.
8) Kneron разрабатывает микросхему ускорителя искусственного интеллекта, основанную на RISC-V. Эта микросхема предназначена для повышения автономности беспилотных автомобилей, обеспечивая поддержку систем ADAS первого и второго уровня.
Российские микроконтроллеры на базе RISC-V:
1) Микроконтроллер MIK32 АМУР.
Его произвёл российский завод «Микрон». Это первый полностью отечественный 32-битный микроконтроллер 1-го уровня с криптозащитой. В его основе лежит ядро, разработанное на открытой архитектуре RISC-V.
Микроконтроллер предназначен для различных устройств промышленной автоматизации, интернета вещей, беспроводной периферии, интеллектуальных сетей, охранных систем, сигнализации, телеметрии, мониторинга, систем «умного дома», управления климатом и освещением, а также для других инфраструктурных систем.
2) Компания «Аквариус».
В 2023 году стало известно, что компания «Аквариус», занимающаяся производством компьютерной техники, планирует начать серийные поставки собственных чипов на базе RISC-V для телекоммуникационной отрасли и производителей электроники в 2026 году. Выпуск микросхем будет осуществляться как на российских, так и на зарубежных предприятиях.
3) Микроконтроллеры АО "НИИЭТ".
- К1921ВГ015.
32-разрядный микроконтроллер с энергонезависимой памятью, многоканальным АЦП, криптографическим сопроцессором и последовательными интерфейсами. Оснащён системой защиты от несанкционированного доступа и потребляет минимум энергии в активном режиме. Максимальная частота работы достигает 50 МГц.
Сфера применения этого микроконтроллера обширна: он используется в измерительных приборах, бытовых счётчиках газа и электроэнергии, в системах автоматизации производства и в медицине.
- К1946ВК028 и К1946ВК035.
32-разрядные микроконтроллеры, построенные на базе RISC-ядра, заключены в пластиковые корпуса. Эти устройства обладают широким спектром функций и множеством встроенных интерфейсов и модулей, что позволяет использовать их для управления электроприводами и другими электрическими системами.
Микроконтроллеры находят широкое применение в различных сферах: в системах управления, средствах связи и наблюдения, системах безопасности, автоматизации производства, медицине, железнодорожной технике, энергетике и многих других.
4) Микроконтроллеры компании Yadro.
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» совместно с российским производителем вычислительной техники YADRO (ООО «КНС групп») представили новый учебный микроконтроллер Hackee, созданный на основе открытой архитектуры RISC-V. Этот микроконтроллер предназначен для широкого спектра применений, включая встраиваемые системы, носимую электронику и оборудование для Интернета вещей (IoT).
В основе Hackee лежит 32-битное ядро SCR1, которое работает на частоте 85 МГц. Микроконтроллер оснащен 128 килобайтами оперативной памяти, таймерами и интерфейсами UART, SPI, I2C, CAN и JTAG. Производство осуществляется на предприятии АО «Микрон» по 180-нм технологии.
Hackee представляет собой результат сотрудничества участников российского Альянса RISC-V- объединения независимых разработчиков вычислительной техники и программного обеспечения на основе архитектуры RISC-V. Основная цель этой организации — создание открытого сообщества разработчиков, способствующего дальнейшему развитию RISC-V в России.
Ранее «Микрон» (входит в ГК «Элемент») выпустила отечественный микроконтроллер «MIK32 Амур» на основе RISC-V. Это решение было предназначено для устройств промышленной автоматизации, IoT, беспроводной периферии, интеллектуальных сетей и охранных систем. Спрос на данный микроконтроллер превзошел все ожидания.
Следом за этим «Микрон» и «Элрон» создали Arduino-совместимую плату на основе «MIK32 Амур». Однако стоимость этой платы в 30 раз выше, чем у китайских аналогов.
5) Cyntacore.
Синтакор- это ведущая международная компания, занимающаяся разработкой микропроцессорных технологий и инструментов на основе архитектуры RISC-V. Основные офисы компании расположены в России, и она является одним из основателей консорциума RISC-V.
С 2015 года Синтакор разрабатывает и лицензирует семейство IP-блоков для RISC-V, что делает его одним из первых коммерческих поставщиков таких компонентов. Уже в 2016 году компания продемонстрировала свои первые коммерческие системы на кристалле (SOC), созданные на основе собственных IP-блоков.
6) CloudBEAR.
CloudBEAR-один из мировых лидеров в разработке процессорных IP-ядер на базе перспективной системы команд RISC-V.
- BM-310.
32-битное процессорное RISC-V ядро. Оптимизировано для минимизации энергопотребления и занимаемой площади при сохранении наилучшей производительности в своём классе. Подходит для задач управления и IoT-устройств.
- BM-610.
64-битное процессорное RISC-V ядро. Маленькое ядро для задач, требующих 64-битного процессора: управляющие функции в больших системах-на-кристалле, доверенная загрузка и ускорение криптографических алгоритмов.
- BR-352.
Второе поколение 32-битных компактных RISC-V ядер с высокой производительностью. Подходит для высокопроизводительных микроконтроллеров, задач реального времени и цифровой обработки сигналов.
- BR-351.
Компактное 32-битное процессорное RISC-V ядро. Подходит для управляющих и вычислительных задач, требующих высокой производительности при ограниченном энергопотреблении.
- BR-652.
Второе поколение 64-битных компактных RISC-V ядер с высокой производительностью. Подходит для высокопроизводительных микроконтроллеров, задач реального времени и цифровой обработки сигналов.
- BI-652.
Второе поколение 64-битных RISC-V ядер с последовательным исполнением команд. Сбалансированное решение с точки зрения производительности и энергопотребления для задач, требующих ОС Linux.
- BI-651.
Процессорный комплекс на базе 64-битного RISC-V ядра с последовательным исполнением команд. Разработан для применения в устройствах под управлением ОС Linux, требующих высокой производительности при ограниченном энергопотреблении.
- BI-350.
Процессорный комплекс на базе 32-битного RISC-V ядра с последовательным исполнением команд. Облегчённая конфигурация, оптимизированная для минимизации энергопотребления и занимаемой площади, подходит для применения в IoT-устройствах под управлением ОС Linux.
- BI-671.
Процессорный комплекс на базе 64-битного RISC-V ядра с внеочередным исполнением команд. Разработан для применения в устройствах под управлением ОС Linux, требующих максимальной однопоточной производительности.
7) Байкал Электроникс.
«Байкал Электроникс» активно сотрудничает с компанией CloudBEAR, которая специализируется на разработке процессорных IP-ядер, основанных на архитектуре RISC-V. В 2021 году группа «Вартон», выступающая акционером «Байкал Электроникс», приобрела долю в CloudBEAR.
В планах «Байкал Электроникс»- использовать технологии IP-ядер, разработанные CloudBEAR, в своих проектах по созданию процессоров Baikal-L и Baikal-S2. Baikal-L- это российский процессор, созданный специально для ноутбуков, а Baikal-S2 представляет собой серверный процессор для «облачных» вычислений.
Кроме того, «Байкал Электроникс» входит в альянс RISC-V, который обратился к правительству с просьбой о государственной поддержке технологии, основанной на архитектуре RISC-V.
8) ОМП и RISC-V.
По слухам ОМП и на просторах интернета, разработчика ОС "Аврора", ведутся разработки процессорных решений под RISC-V.
Перспектива RISC-V:
А) Глобальный стандарт.
Открытая архитектура способствует международному сотрудничеству, позволяя разработчикам создавать устройства, которые соответствуют чётким и надёжным стандартам.
Б) Активный рост в автомобильном секторе.
Промышленные приложения будут оставаться основным рынком для технологии RISC-V, но наиболее заметный рост будет наблюдаться в автомобильном секторе.
В) Широкие возможности в сфере искусственного интеллекта.
Гибкость и масштабируемость RISC-V делают её идеальной для создания инновационных разработок в области искусственного интеллекта.
Г) Потенциал для российских разработчиков.
RISC-V позволяет сократить зависимость от зарубежных поставщиков и создавать собственные технологические решения, соответствующие стратегии импортозамещения.
По прогнозам Omdia, поставки процессоров, основанных на архитектуре RISC-V, будут увеличиваться почти на 50% ежегодно и к 2030 году достигнут 17 миллиардов единиц.
Ссылочная информация про RISC-V:
2) RISC-V- стандарт, изменивший мир микропроцессоров.
6) Альянс-V.
Расширяется перечень источников информации о RISC-V по мере поступления.
Спасибо за просмотр! Вам Прекрасного дня!