Что такое RISC-V и зачем он нужен смартфонам и часам

Коротко: RISC-V — это открытая и бесплатная архитектура набора команд (ISA) для процессоров, альтернатива закрытой и лицензируемой архитектуре ARM. Любая компания может делать на ней чипы без оплаты лицензии, поэтому её берут и небольшие стартапы, и гиганты вроде Google и Qualcomm. Пока RISC-V реально работает в микроконтроллерах, встраиваемой электронике и ИИ-ускорителях, а Qualcomm и Google готовят на ней первый чип для умных часов на Wear OS — но процессора уровня смартфона на RISC-V в продаже ещё нет.

Что такое RISC-V простыми словами

RISC-V (читается «риск-файв») — это архитектура набора команд, то есть открытый стандарт, который описывает, какие базовые инструкции должен понимать процессор и как они устроены. Архитектуру набора команд (ISA, instruction set architecture) придумали в Калифорнийском университете в Беркли в 2014 году — это не готовый чип, а скорее техническое задание, по которому любой производитель может спроектировать свой собственный процессор.

Ключевое отличие RISC-V от большинства других архитектур — она royalty-free, то есть бесплатная для использования. Компания, которая хочет выпустить чип на RISC-V, не платит лицензионных отчислений за сам набор команд: спецификацию можно свободно скачать и реализовать в железе. Развитием и стандартизацией архитектуры занимается некоммерческая организация RISC-V International, в которую входят сотни компаний со всего мира.

Как устроена архитектура RISC-V — принцип работы

Проще всего представить архитектуру набора команд как инструкцию по проектированию чипа, а не сам чип. ISA определяет, какие элементарные операции — сложение, сравнение, загрузка данных из памяти — процессор обязан уметь выполнять и в каком виде эти операции закодированы в двоичных инструкциях. Производитель берёт эту спецификацию и реализует её в физическом кремнии по-своему: с разным числом вычислительных блоков, разной тактовой частотой, разным объёмом кэша.

Главная конструктивная особенность RISC-V — модульность. У архитектуры есть небольшой обязательный базовый набор команд, а поверх него производитель может подключать необязательные расширения: для работы с числами с плавающей запятой, для векторных вычислений, для сжатых инструкций, которые экономят память программы. Именно это и упрощает создание собственных чипов: компании не нужно реализовывать весь гипотетический набор возможностей архитектуры — только те расширения, которые реально нужны для её задачи, будь то простой датчик или мощный ИИ-ускоритель.

Чем RISC-V отличается от ARM

ARM — это сегодня доминирующая архитектура мобильных процессоров, и сравнение с ней — самый быстрый способ понять, в чём разница. Мы уже разбирали похожий вопрос применительно к ноутбукам в материале ARM или x86: что выбрать в ноутбуке — RISC-V в этом смысле третий, более молодой игрок, который конкурирует с обеими устоявшимися архитектурами.

Главное отличие — модель лицензирования. ARM Holdings разрабатывает архитектуру и ядра процессоров, а затем продаёт производителям лицензии и берёт роялти с каждого выпущенного чипа — это закрытая и платная модель, пусть и давно отработанная. RISC-V, напротив, открыта и бесплатна: использовать спецификацию может кто угодно, а зарабатывать можно на продаже готовых ядер, инструментов разработки или консалтинга, а не на самой лицензии набора команд.

Второе отличие — зрелость экосистемы. ARM существует с 1980-х годов, и под неё написаны и оптимизированы десятки операционных систем, миллионы приложений и огромный набор готовых инструментов разработки. У RISC-V как у массовой технологии в потребительской электронике экосистема заметно моложе: меньше готового оптимизированного софта, меньше инженерного опыта по доведению чипов до серийного производства. Взамен RISC-V даёт производителю куда больше гибкости в кастомизации — можно убрать из чипа всё лишнее или добавить собственные нестандартные инструкции под конкретную задачу, чего лицензионная модель ARM в такой свободной форме не позволяет.

Зачем RISC-V нужен индустрии — какие проблемы решает

Прежде всего — деньги. Лицензионные и роялти-платежи ARM — заметная статья расходов для любого производителя чипов, особенно при больших объёмах выпуска. Переход на RISC-V эту статью расходов убирает: компания проектирует чип по открытой спецификации и не отчисляет процент с каждой выпущенной единицы.

Вторая причина — возможность делать чип ровно под свою задачу, без лишних возможностей, за которые всё равно пришлось бы платить в закрытой модели. Если устройству, например носимому датчику, не нужна часть функциональности условного лицензируемого ядра, на RISC-V производитель может собрать минимальную конфигурацию и не переплачивать за неиспользуемый функционал.

Третья причина — технологический суверенитет. Открытая архитектура, не привязанная к лицензии одной компании, позволяет странам и регионам развивать собственное производство процессоров без зависимости от условий одного зарубежного лицензиара. Это одна из причин, почему к RISC-V присматриваются не только стартапы, но и крупные государственные и корпоративные программы.

Где RISC-V уже работает, а где только готовится

У технологии сейчас заметно разный уровень зрелости в разных классах устройств.

Микроконтроллеры и встраиваемые системы. Здесь RISC-V уже массово применяется: простые недорогие чипы для датчиков, бытовой электроники и промышленного оборудования на открытой архитектуре выпускаются серийно уже несколько лет — задачи таких чипов относительно просты, а экономия на лицензии ощутима именно при больших тиражах дешёвых компонентов.

ИИ-ускорители. Есть примеры специализированных чипов для задач искусственного интеллекта, построенных на RISC-V — модульность архитектуры удобна для добавления нестандартных векторных и матричных инструкций, которые нужны именно для ИИ-вычислений.

Умные часы. Это ближайшая к массовому рынку потребительская категория. По данным Engadget, Qualcomm разрабатывает платформу Snapdragon Wear на архитектуре RISC-V совместно с Google — для будущих устройств на Wear OS. Разработка уже идёт, но конкретной даты запуска компании пока не называли; платформу позиционируют как первый массовый RISC-V чип для устройств на Android.

Смартфоны. Здесь RISC-V пока на стадии разработки, а не готового продукта. Как отмечает SamMobile, Google уже объявил «зрелую поддержку RISC-V» в самой системе Android — архитектура доступна наравне с ARM, x86 и x86-64 в NDK и эмуляторе для разработчиков. Но готового процессора уровня смартфона на RISC-V в продаже пока нет: сами смартфоны на сегодня остаются на ARM.

Носимые устройства здесь особенно показательны: как только в классе гаджетов появляется новый чип, следом почти всегда подтягивается и обновлённое компаньон-приложение под него. Разработкой мобильных приложений под такие свежие платформы, включая Wear OS, в YuSMP Group занимается команда мобильной разработки — она же адаптирует существующие приложения под новое железо, когда оно выходит на рынок.

Плюсы и ограничения RISC-V — честно

Плюсы:

• Открытость — спецификацию архитектуры можно свободно изучать и реализовывать, не завися от условий одного лицензиара.
• Экономия на лицензии — нет роялти-отчислений ARM с каждого выпущенного чипа.
• Гибкость — модульная система расширений позволяет собрать чип ровно под задачу, без лишней функциональности.

Ограничения:

• Молодая экосистема — в потребительской электронике под RISC-V заметно меньше готового оптимизированного софта и инструментов разработки, чем под ARM с её десятилетиями истории.
• Меньше готовых высокопроизводительных ядер — для задач уровня смартфона пока нет зрелых серийных решений, сравнимых по производительности с топовыми ARM-чипами.
• Открытость архитектуры не отменяет затрат на само проектирование и производство чипа — экономия именно на лицензии, а не на разработке в целом.

Что RISC-V-чип в умных часах изменит для пользователя

Если Qualcomm и Google действительно доведут совместную Wear OS-платформу на RISC-V до серийных устройств, для владельца часов это может сказаться на нескольких вещах. Во-первых, потенциально на цене устройства — за счёт отсутствия лицензионных отчислений производитель получает больше свободы в ценообразовании, хотя итоговая розничная цена всё равно зависит от многих факторов, а не только от стоимости чипа. Во-вторых, на автономности — модульность архитектуры позволяет добавлять в чип специализированные энергоэффективные блоки именно под задачи часов: обработку данных с датчиков, работу экрана, фоновые уведомления, — не перегружая кристалл универсальной функциональностью, которая часам не нужна. В-третьих, на скорости выхода новых моделей — если у производителя появляется собственный контроль над архитектурой чипа, цикл разработки новых поколений устройств потенциально может стать короче. Конкретных цифр по экономии или приросту автономности источники пока не называют — это прогноз на основе логики технологии, а не объявленные характеристики.

Что дальше

Тренд на рост числа RISC-V-устройств в индустрии заметен уже сейчас: архитектура закрепилась как «платформа первого уровня» для Google в Android наравне с ARM, растёт число специализированных чипов для ИИ-задач, а крупные игроки вроде Qualcomm инвестируют в неё не как в эксперимент, а как в будущую товарную линейку. Ближайшая веха — появление первых коммерческих RISC-V чипов в носимых устройствах; если платформа Snapdragon Wear на RISC-V действительно дойдёт до серийных часов, это станет первым по-настоящему массовым потребительским применением архитектуры за пределами встраиваемой электроники. Процессоры уровня смартфона на RISC-V — куда более отдалённая перспектива: для этого экосистеме ещё предстоит догнать ARM по зрелости готовых высокопроизводительных ядер и софта.

Частые вопросы

Будет ли RISC-V смартфон в продаже в ближайшее время?

Готового процессора уровня смартфона на архитектуре RISC-V пока не существует — такие чипы ещё разрабатываются. Ближе всего к рынку сейчас находятся умные часы: Qualcomm и Google уже готовят совместную RISC-V платформу для Wear OS, но точной даты её запуска не объявлено. Смартфоны пока остаются на ARM.

RISC-V бесплатная архитектура — значит ли это, что чипы на ней будут дешевле?

Потенциально да: производителю не нужно платить лицензионные и роялти-отчисления ARM за право использовать набор команд, а это заметная статья расходов. Но итоговая цена готового чипа и устройства зависит ещё от многих факторов — производства, объёма закупки, маркетинга, — поэтому обещать конкретную экономию в процентах нельзя.

Чем RISC-V отличается от ARM для обычного пользователя?

На уровне самого использования устройства разница незаметна: смартфон или часы одинаково включаются, запускают приложения и показывают интерфейс вне зависимости от архитектуры процессора внутри. Это вопрос того, как устроен чип «под капотом» и на каких условиях его сделал производитель, а не вопрос интерфейса или удобства для владельца устройства.

Поддерживает ли Android RISC-V уже сейчас?

Да, официально. Google объявил зрелую поддержку RISC-V в Android — архитектура доступна в NDK и эмуляторе для разработчиков наравне с ARM, x86 и x86-64. При этом готовых потребительских смартфонов на RISC-V в продаже пока нет — поддержка в системе опередила появление массового железа.

Источники: Engadget — Qualcomm reveals it's making a RISC-V chip for Android wearables, SamMobile — Android phones could use RISC-V based processors in the coming years, RISC-V International — официальный сайт консорциума стандарта.