RISC-V: ”Öppet kisel standard i processorer inom tio år”

Utvecklingen av nya processorer är grundbulten i digitaliseringen. Ska vi få fler och mer funktionella uppkopplade prylar, snabbare datorer och mer avancerad artificiell intelligens behöver beräkningskraften i världen fortsätta att öka.

I dag domineras processormarknaden av två grundläggande processorarkitekturer. Den ena är x86 som utvecklades av Intel på 1980-talet, den andra är Arm som förvaltas av bolaget Arm Holdings. Men nu kan allt vara på väg att förändras.

En ny spelare är på väg in på marknaden, samtidigt som Arm är på väg att bli uppköpta av Nvidia. Precis som öppen källkod tagit en allt större roll inom utveckling av mjukvara kan så kallat öppet kisel vara på väg att slå igenom på chipmarknaden.

På mjukvarusidan hette dragloket Linux, inom hårdvara talas det istället om RISC-V (som uttalas "risk fem"), en processorarkitektur befriad från licensavgifter, restriktioner och politiska problem.

– Inom 5-10 år tror jag att RISC-V kommer att bli standardvalet för de flesta processorer, framförallt i små inbyggda system, säger Olof Kindgren som är designingenjör på teknikbolaget Qamcom och en av ambassadörerna för RISC-V International, det konsortium av företag som driver utvecklingen av arkitekturen.

Avgör hur mjukvara och hårdvara kommunicerar

Så vad är RISC-V, Arm och x86 egentligen? Alla tre är instruktionsrepertoarer (på engelska instruction set architecture, eller ISA). Det är en slags standard för hur applikationerna som körs kan kommunicera med processorn, så att ett program kan köras på samma sätt oavsett vilken processormodell som sitter i datorn.

– Det är kommunikationskanalen mellan mjukvara och hårdvara, förklarar Per Stenström som är professor i datavetenskap på Chalmers. Det är i grund och botten specifikationen över alla de instruktioner som processorn kan exekvera.

Han ingår själv i det EU-finansierade forskningsprojektet European Processor Initiative där en målsättning är att bygga en processorindustri i Europa som kan konkurrera med Kina och Nordamerika. Där pågår bland annat arbetet med att ta fram en RISC-V-baserad dator.

– En instruktionsrepertoar ska vara bakåtkompatibel. Du kan ta gammal x86-kod från 80-talet och den ska gå att köra på modern Intel-arkitektur. Det är väldigt viktigt. Så man får aldrig kasta bort en instruktion från en repertoar, däremot lägga till, säger Per Stenström.

Resultatet blir att det blir allt dyrare och krångligare att underhålla och utveckla en ISA. När Intel adderar nya instruktioner till x86 måste de kontrollera att de inte påverkar någon av de befintliga, vilket är ett mastodontarbete på grund av alla decennier.

Gratis och öppen källkod

I dag är det Arm och x86 som är de dominerande instruktionsrepertoarerna. De används delvis i olika sammanhang – x86 dominerar i datacenter och på pc-marknaden, medan Arm håller greppet om mobilmarknaden och används i de flesta mindre inbäddade system.

Intel håller rätt hårt i sin ISA, i dag är det bara de själva och AMD som utvecklar x86-processorer i någon större utsträckning. Arm å sin sida tillverkar inga processorer, utan använder en licensmodell. Företag som vill bygga egna processorer kan köpa rätten till Arms instruktionsrepertoar. Det gör bolag som Apple, Qualcomm och Samsung och många andra.

Att använda RISC-V är däremot gratis. Det gör det enklare för små spelare att ge sig in i halvledarbranschen.

Men att slippa betala är inte hela poängen. Lika viktigt är det att arkitekturen är öppen och byggd för att kunna utvecklas vidare fritt.

– Arm har ganska strikta regler för hur man får använda deras kärnor och koden du licensierar. Men RISC-V finns en grundtanke om att bygga en basfunktionalitet som sedan kan byggas på med fler funktioner. Tanken är att man lättare ska kunna skräddarsy något som passar den tänkta slutapplikationen, säger Olof Kindgren.

Byggd för acceleratorer

En sådan fördel är att det blir enklare att bygga in stöd för nya typer av processorer som kan öka beräkningskraften, så kallade acceleratorer.

Det är dedikerade eller skräddarsydda processorer som bara kan göra en eller ett fåtal funktioner, som kryptering eller kompression. Ett exempel är de så kallade ai-processorer som mobiltillverkare som Apple, Samsung och Huawei byggt in i sina telefoner och används för exempelvis bildbehandling eller ansiktsigenkänning.

– Acceleratorer är en viktig trend när Moores lag tappar kraft. Då blir det allt viktigare att utnyttja transistorerna så effektivt som möjligt. Du kan tappa 100 - 1000 gånger beräkningsprestanda på att använda en generell processor istället för skäddarsydd elektronik, säger Per Stenström.

Att RISC-V är både gratis och fritt från restriktioner gör det dessutom möjligt för nya spelare att ta sig in på chipmarknaden, med helt nya metoder. Kanske kan de hämta inspiration från hur många företag byggt upp sin verksamhet kring öppen källkod.

– Det öppnar upp för helt nya affärsmodeller. Du kan ge bort designen på processorn gratis, och sedan bygga upp din affär på andra aspekter, som att hjälpa till att öka energieffektivitet eller prestanda, säger Per Stenström.

Det skulle kunna jämföras med hur it-företaget Red Hat, som härom året köptes upp av IBM för ett mångmiljardbelopp, valt att släppa all sin mjukvara fri. Men ändå tjänat pengar på att sälja kringtjänster som support, internutbildningar och hjälp med att integrera systemen.

”Världen var redo för RISC-V”

RISC-V är inte det första exemplet på öppet kisel. När Olof Kindgren, som också är ordförande i föreningen FOSSi Foundation, en akronym som står för free and open source silicon, först kom i kontakt med fenomenet låg fokus på en annan arkitektur, OpenRISC. Den växte sakta i popularitet under början av 2010-talet.

Men när RISC-V presenterades av ett forskarteam under ledning av Krste Asanovic vid universitetet Berkeley överskuggade arkitekturen snart alla andra initiativ inom öppen kisel.

– 2014 kom några forskare från Berkeley på vår konferens i München och presenterade RISC-V. Vi undrade vad det skulle vara bra för, OpenRISC fanns ju redan. Men RISC-V var där för att stanna. Redan nästa år handlade 30-40 procent av presentationerna på konferensen om RISC-V, säger Olof Kindgren.

Varför tror du att det slog igenom så fort?

– Jag tror att världen var redo för det, och Berkeley hade kontakter i kärnan av Silicon Valley. Jag tror också att historien om open source blivit normaliserad. Man har sett att det går att bygga system runt Linux och att det går att bygga proprietära produkter med öppen källkod som bas.

Kan konkurrera med Intel om fem år

Sedan den där konferensen har intresset för RISC-V växt stadigt. Än så länge finns det inte någon volymproduktion av processorer, men allt fler produkter dyker upp på marknaden. Ett viktigt projekt för att få utvecklare ombord är exempelvis Picorio. Det är ett slags kommande Raspberry Pi-variant från kinesiska Rios Lab, fast med en RISC-V-processor istället för en Arm-baserad.

En annan är systemkretsen Swervolf som Olof Kindgren och hans kollegor på Qamcom tagit fram på uppdrag av Western Digital. Den ska användas i utbildningssyfte, och har bland annat plockats upp av halvledarbolaget Imagination Technologies som ska använda den för utbildningar i RISC-V-utveckling vid flera universitet i Europa och USA.

– Det vi börjat se är RISC-V på low end-sidan, processorer som inte kan exekvera så snabbt. Det kommer att ta tid innan RISC-V är konkurrenskraftigt mot Intels vassaste processorer. Man tror att det kan komma först runt 2025, och vi är precis i början av den utvecklingen, säger Per Stenström.

Samma år bedömer analysfirman Semico Research att det kommer att tillverkas hela 64,2 miljarder RISC-V-processorer, enligt en rapport från 2019. Störst tros tillväxten bli inom industriapplikationer.

– Det kommer att börja med små, djupt inbyggda processorer. Titta bara på en mobiltelefon, där kan du säkert hitta hundratals olika processorer som styr alltifrån mikrofonen till batteriet och skärmen. Det finns ingen anledning att inte köra RISC-V på dem, säger Olof Kindgren.

Arm-affären ger skjuts för RISC-V

RISC-V var alltså redan på frammarsch. Men i mitten på september inträffade något som tros ge turbofart åt utvecklingen. Det handlar om den största halvledaraffären någonsin: chipjätten Nvidias besked att de vill köpa Arm Holdings för motsvarande 350 miljarder kronor.

Affären gör Nvidia till en dominerande spelare i halvledarindustrin, och väcker samtidigt oro främst av två skäl. Om affären går igenom kommer Arms nya ägare också vara en av bolagets största kunder. Dessutom blir huvudägaren ett amerikanskt bolag, i en tid av öppet handelskrig mellan USA och Kina.

Tack vare att de inte själva tillverkar några chip och att de haft sitt huvudkontor i hyfsat neutrala Storbritannien (även om ägaren de senaste åren varit det japanska investmentbolaget Softbank) har Arm varit ett slags processorarkitekturernas svar på Schweiz.

– Jag tror att Nvidias köp av Arm kommer att skynda på övergången till RISC-V. Jag tror att kunder som tidigare sett Arm som det självklara valet kommer att tänka en extra gång. Jag ser inte att Nvidia kommer att satsa lika mycket på utvecklingen som Arm gjort själva, och det kommer på sikt att kyla ner Arm, säger Olof Kindgren.

Samtidigt har RISC-V, ett projekt som startades av amerikanska forskare, gjort den omvända resan. Förra året flyttade konsortiet som förvaltar arkitekturen officiellt sin hemvist ifrån USA och landade bokstavligt talat i Schweiz.

Om prognoserna stämmer kan arkitekturen få sitt riktiga genombrott under det kommande årtiondet. Frågan är hur det på sikt kommer att påverka dagens giganter – och vilka nya spelare som kan växa fram och bygga sina chip på öppet kisel.

– På sikt tror jag att man kommer att behöva motivera varför man inte ska använda RISC-V. Du kanske behöver kunna köra gamla pc-program byggda för x86, men RISC-V kommer att bli standardvalet för alla processorer, speciellt i inbyggda system, säger Olof Kindgren.