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In der heutigen dynamischen und sich ständig weiterentwickelnden Welt der Technologie spielt die Prozessorarchitektur eine Schlüsselrolle. Sie ist die Grundlage jedes elektronischen Geräts und ermöglicht es uns, fortschrittliche Anwendungen zu nutzen, komplexe Berechnungen durchzuführen und mit der digitalen Umgebung zu interagieren. Viele Jahre lang wurde der Prozessormarkt von den technologischen Schwergewichten x86 und ARM dominiert. Diese Architekturen sind dank ihrer einzigartigen Eigenschaften zum Eckpfeiler des heutigen Marktes geworden, so dass Prozessoren mit diesen Kernen heute in den meisten Geräten zu finden sind. Trotzdem wird das Thema Architektur mit mehr oder weniger Erfolg von anderen Herstellern aufgegriffen, die versuchen, die Designer von elektronischen Geräten für ihre eigene Entwicklung dieses Themas zu interessieren.
Ein Beispiel für ein Konzept, das sich auf dem Verbrauchermarkt durchgesetzt hat, ist RISC-V. Die Architektur zeichnet sich vor allem durch ihre Offenheit und Flexibilität aus. Der wachsende Einfluss von RISC-V stellt nicht nur eine potenzielle Herausforderung für die marktbeherrschenden Unternehmen dar, sondern ist auch ein Symbol für das Streben nach Demokratisierung und Offenheit der Technologie. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die RISC-V-Architektur: ihre Ursprünge, einzigartigen Merkmale und Vorteile, die die Aufmerksamkeit von Unternehmen, Forschern und Technologiebegeisterten aus der ganzen Welt auf sich ziehen.
Die doppelte Macht im Bereich der Architektur
Im Laufe der Jahre wurde der Markt für Prozessorarchitekturen von zwei starken Kräften beherrscht: ARM und x86. Die ARM-Architektur, die auf dem RISC-Befehlssatz (Reduced Instruction Set Computer) basiert, hat sich zu einem führenden Produkt für mobile Geräte und eingebettete Systeme entwickelt. Ihr geringer Stromverbrauch und ihre Effizienz haben dazu geführt, dass sie in Smartphones, Tablets und der ständig wachsenden Zahl von IoT-Geräten eingesetzt werden. Auf der anderen Seite hat die x86-Architektur, die CISC-Befehle ( Complex Instruction Set Computer) verwendet, die Vorherrschaft im Bereich der Personalcomputer und Server sichergestellt. Seine Rechenleistung und die Fähigkeit, eine Vielzahl von Aufgaben zu bewältigen, haben dazu beigetragen, dass er in leistungsintensiven Umgebungen weit verbreitet ist.
Chips, die auf ARM-Kernen basieren, haben den Standard für Energieeffizienz gesetzt, was sie zu einer idealen Wahl für tragbare Geräte macht, bei denen eine lange Akkulaufzeit entscheidend ist. Viele Jahre der Entwicklung und zahlreiche Iterationen haben es ARM ermöglicht, ein einzigartiges Ökosystem zu schaffen, das sowohl kleine Mikrocontroller als auch Hochleistungsprozessoren für Supercomputer unterstützt. Auf der anderen Seite hat sich die x86-Architektur bei PCs und Servern durchgesetzt und bietet eine Fülle von Funktionen und Erweiterungsmöglichkeiten. Ihre komplexe Struktur ermöglicht es, verschiedene Aufgaben effizient zu erfüllen, was jedoch zu einem höheren Energieverbrauch führen kann.
Beide Architekturen haben ihre Schwächen. ARM dominiert zwar im Bereich der tragbaren Geräte, stößt aber bei der Leistung an Grenzen, insbesondere bei rechenintensiven Anwendungen. Im Gegensatz dazu kann x86, obwohl es vielseitig und leistungsstark ist, für einige Anwendungen zu komplex sein, was ein Problem in Bezug auf die Komplexität des Entwicklungsprozesses und die späteren Herstellungskosten der fertigen Geräte darstellt.
In dem Maße, in dem sich die technologische Landschaft verändert, entsteht Raum für neue Initiativen wie die RISC-V-Architektur, die versucht, die Grenzen der vorherrschenden Akteure zu überwinden. Dies lässt auf neue Möglichkeiten in der Prozessorarchitektur hoffen, die den Markt verändern und neue Innovationshorizonte eröffnen werden.
Geschichtlicher Hintergrund von RISC-V
In den frühen 1980er Jahren. In den 1970er Jahren wurde die Idee von RISC-basierten Prozessoren immer populärer. Dies bedeutete Systeme mit einer maximal reduzierten Anzahl von ausführbaren Anweisungen. Zu dieser Zeit wurden die ersten ARM-Chips sowie RISC-I und RISC-II in den Verkaufsräumen vorgestellt. In den folgenden Jahren wurden auch die Konzepte RISC-III und RISC-IV entwickelt, die sich auf die Projekte SOAR und SPUR beziehen. Der heutige Protagonist, der RISC-V, hat mit den eben genannten Architekturen außer dem Namen wenig gemeinsam. Die einzige Ähnlichkeit besteht vielleicht darin, dass alle diese Projekte auf dem RISC-Modell basieren.
Die RISC-V-Architektur ist ein recht junges Konzept, denn die Arbeit daran begann 2010 an der University of California, Berkeley, unter der Leitung von David Patterson. Das Projekt wurde von Microsoft und interessanterweise auch von Intel finanziert, und die Forschungsarbeit führte im folgenden Jahr zur Vorstellung des ersten RISC-V-basierten Chips.
Die Geschichte nimmt 2014 an Fahrt auf, als Professor Krste Asanović und Petterson einen Artikel veröffentlichen, in dem sie argumentieren, dass die Zukunft den Prozessoren mit einer vereinfachten Befehlsliste gehört, die auf Open-Source-Basis vertrieben werden. Die Veröffentlichung fand in der Technikwelt ein breites Echo und führte zur Gründung der RISC-V Foundation, die später in RISC-V International umbenannt wurde, durch 36 Unternehmen, darunter Nvidia, Google, IBM und Qualcomm.
Kostenlos? Dies ist ein fairer Preis
Die RISC-V-Architektur ist ein gutes Beispiel für das Open–Source-Modell. Das bedeutet, dass diese Art von Kernen in jedem Design von praktisch jedem implementiert werden kann. Mit anderen Worten: Der Quellcode und die Dokumentation von RISC-V sind öffentlich zugänglich, so dass es möglich ist, für bestimmte Anwendungen optimierte Prozessoren zu entwickeln. Offenheit fördert auch die Zusammenarbeit, weitere Verbesserungen an der Architektur können von allen Entwicklern bearbeitet werden, sie können Fehler melden und gemeinsam beheben, was zur kontinuierlichen Entwicklung und Verbesserung des Projekts beiträgt.
Erwähnenswert ist auch, dass die Open RISC-V-Architektur kleineren Unternehmen und Neugründungen den Einstieg in den Prozessormarkt ermöglicht, was früher aufgrund von Lizenz- und Kostenbeschränkungen schwierig sein konnte. Dies führt zu einer größeren Vielfalt an konkurrierenden Produkten.
RISC-V-Eigenschaften
RISC-V-Prozessoren zeichnen sich, wie andere Computerchips auch, durch eine Reihe von Merkmalen aus, die sie zu einer spannenden und innovativen Alternative in der Welt der Prozessorarchitektur machen. Eines der wichtigsten Merkmale ist ihre bereits erwähnte offene Struktur. Darüber hinaus zeichnet sich dieser Kerntyp durch seine Modularität aus. Diese Architektur ermöglicht die Erstellung von benutzerdefinierten Befehlssätzen, so dass die Entwickler den Prozessor für eine bestimmte Anwendung anpassen können. Das bedeutet, dass Sie nicht für Anweisungen “bezahlen” müssen, die Sie nicht nutzen, was sich in Ressourceneinsparungen und einer höheren Effizienz niederschlägt.
Ein weiteres Markenzeichen von RISC-V ist die Einfachheit der Anweisungen. Durch die Konzentration auf eine kleine Anzahl einfacher Befehle ermöglichen RISC-V-Prozessoren eine schnelle Dekodierung und Ausführung nachfolgender Befehle, was zu einer sehr guten Leistung führt.
RISC-V-Prozessoren unterstützen auch moderne Technologien wie den SIMD-Befehlssatz und erweiterte Speicherschutzmechanismen. Es ist erwähnenswert, dass RISC-V kein Modell ist, das auf einen bestimmten Anwendungsbereich beschränkt ist – von Mikrocontrollern bis zu Supercomputern kann die Architektur in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden.
Kurz gesagt, RISC-V-Prozessoren zeichnen sich durch ihre Offenheit, Modularität, Einfachheit und Vielseitigkeit aus. Diese Eigenschaften sorgen dafür, dass die Architektur nicht nur die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Designern auf sich zieht, sondern auch die Tür zu neuen Möglichkeiten und Innovationen im Bereich der Prozessoren öffnet.
Derzeitige Verwendung von RISC-V
Obwohl es sich bei RISC-V-Chips um relativ junge Designs handelt, gibt es bereits einige interessante Prozessoren, die in der Praxis eingesetzt werden.
- SiFive U54-MC Coreplex – Dies ist ein 64-Bit-RISC-V-Prozessor, der für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen wie Cloud Computing entwickelt wurde. Er unterstützt eine Erweiterung, die die Ausführung von Integer-Multiplikations- und Divisionsbefehlen ermöglicht, und arbeitet mit 1,5 GHz.
- Nvidia Grace – ist ein 64-Bit-RISC-V-Prozessor, der in Rechenzentren und für Hochleistungsrechneranwendungen eingesetzt wird. Der Chip unterstützt Gleitkommaoperationen mit einfacher Genauigkeit und wird wahrscheinlich in zukünftigen Supercomputern eingesetzt werden.
- Western Digital SweRV Core – ist ein 32-Bit-RISC-V-Chip, der für den Einsatz in eingebetteten und IoT-Anwendungen entwickelt wurde und in dem der Stromverbrauch optimiert wurde.
Die Zukunft und die Ambitionen von RISC-V
Man kann schon jetzt sagen, dass die Chips mit RISC-V-Architektur erfolgreich waren, weil sie es geschafft haben, sich im Mainstream durchzusetzen und neben x86- und ARM-Prozessoren zu bestehen. Ich wäre jedoch vorsichtig mit Meinungen, dass RISC-V den Prozessormarkt bald vollständig übernehmen wird. Diese Art von Kernen ist eine interessante Alternative, insbesondere zu ARM-Chips, und könnte in Zukunft durchaus einen Teil des Verbrauchermarktes erobern. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass ARM in der Zwischenzeit einen Großteil des derzeit von x86 besetzten Bereichs, d. h. der Heimcomputer, übernehmen könnte.
Meiner Meinung nach kann RISC-V direkt neben ARM und x86 bestehen, und Chips, die auf dieser Architektur basieren, können in vielen eingebetteten Systemen und IoT-Geräten erfolgreich eingesetzt werden.
RISC-V International blickt mit Optimismus in die Zukunft. Ende 2020 kündigten sie an, dass bis 2025 fast 80 Millionen RISC-V-Chips auf dem Markt verfügbar sein sollen, was einem Marktanteil von 14 % entspräche. Die Vision ist ehrgeizig und wird wahrscheinlich funktionieren, da das von den beiden großen Anbietern dominierte Segment der Prozessorarchitektur etwas Offenes und “kostenloses” benötigt, das kleine Unternehmen und Start-ups nutzen können. Dennoch ist es noch ein wenig zu früh, um RISC-V eine Zukunft als Hauptakteur auf dem Markt zu prophezeien, obwohl die Zukunft natürlich vielversprechend aussieht.
Abschließend möchte ich noch meine persönliche Sorge über die Zukunft der RISC-V-Architektur zum Ausdruck bringen. Ursprünglich war vorgesehen, dass diese Art von Chips kompatibel sein sollte, d. h. eine Anwendung, die für einen RISC-V-Chip vorbereitet wurde, sollte problemlos auf einem anderen Prozessor laufen, der auf diesem Modell basiert. Anfangs war dies auch der Fall, aber mit der zunehmenden Beliebtheit von RISC-V-Kernen kamen immer mehr Prozessoren auf den Markt, die, wie sich herausstellte, nicht untereinander softwarekompatibel waren. Der Grund dafür ist einer der Hauptvorteile von RISC-V, nämlich Offenheit und quelloffene Verteilung. In Zukunft, wenn es noch mehr RISC-V-Kerne gibt, könnte dies ein ziemliches Problem darstellen. Umgangssprachlich ausgedrückt, wird jeder machen, was er will, und das Ergebnis wird eine Masse von inkompatiblen Systemen sein, die alle mit dem gleichen Logo signiert sind. Mit anderen Worten, ein völliger Mangel an Standardisierung, der die Hardwareentwickler von der Verwendung von RISC-V-Cores abhalten kann. Im Moment sieht es so aus, als ob RISC-V International keine Pläne hat, “aufzuräumen”, vielleicht warten sie darauf, dass ein größerer Prozessorhersteller mit diesem Kern auf dem Markt auftaucht, dessen Produkte mit der Zeit zum Industriestandard werden, und die verbleibenden inkompatiblen Designs werden natürlich vergessen, aber was die Zukunft bringt, wird die Zeit zeigen.
Quellen:
https://www.xda-developers.com/risc-v/
https://www.digitaltrends.com/computing/what-is-risc-v/
https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2014/EECS-2014-146.pdf
https://medium.com/@sharjeelimtiazprof/risc-v-history-introduction-60642a685fdd
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introductions-to-risc-v-instruction-set-understanding-this-open-instruction-set-architecture/
https://www.elprocus.com/risc-v-processor/
https://five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/history.html
https://www.microcontrollertips.com/risc-v-vs-arm-vs-x86-whats-the-difference/
https://www.makeuseof.com/risc-vs-arm-what-is-the-difference/
https://www.hpcwire.com/2022/11/18/risc-v-is-far-from-being-an-alternative-to-x86-and-arm-in-hpc/
https://en.wikipedia.org/wiki/RISC-V
