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Leitfaden zur RISC-V-Architektur

In den 1970er und den frühen 1980er 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.

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-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.

Obwohl es sich bei RISC-V-Chips um relativ junge Designs handelt, gibt es bereits einige interessante Prozessoren, die in der Praxis eingesetzt werden.

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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.