ARM contro RISC-V: uno è migliore dell’altro?

Se volevi realizzare una CPU e non sei AMD o Intel, ci sono due vere scelte: ARM e RISC-V. Ma quali sono le differenze tra i due e perché le aziende scelgono l’uno rispetto all’altro? Queste domande sono fondamentalmente intrecciate con filosofie diverse sull’hardware open source e su ciò che è meglio per l’industria dei processori e dell’informatica.

Cosa sono ARM e RISC-V?

ARM e RISC-V sono architetture di set di istruzioni o ISA. L’ISA è il fondamento di un processore ed è il componente più fondamentale e basilare di qualsiasi CPU. Entrambi gli ISA sono design di computer con set di istruzioni ridotto (o RISC), il che significa che le istruzioni di base a cui la CPU ha accesso sono intrinsecamente semplici ma idealmente veloci da calcolare. La “R” in ARM in realtà sta per RISC (sebbene ARM non sia più trattato come un acronimo), quindi in questo senso i due ISA sono simili.

Il designer originale di ARM era Acorn Computers, con sede in Gran Bretagna. Nel 1990, Acorn Computers ha trasformato il team di progettazione della CPU in Advanced RISC Machines, in seguito ARM Ltd. Il modello di business delle licenze di ARM ha avuto origine negli anni ’90 attraverso una partnership con Apple, che ha contribuito a sviluppare l’architettura ARM6 lanciata nel 1992. Da allora, ARM ha ha concesso in licenza l’architettura ARM alle aziende che possono pagarla.

RISC-V, al contrario, è un ISA totalmente open source e royalty-free. Ha iniziato lo sviluppo nel 2010 come progetto del Parallel Computing Laboratory della UC Berkeley, ma nel corso di 5 anni è diventato qualcosa di molto più grande. Alla fine, 36 aziende tecnologiche si sono riunite per supportare RISC-V e hanno fondato la RISC-V Foundation. Nel 2020, la Fondazione RISC-V si è ribattezzata RISC-V International.

ARM e RISC-V sono tutt’altro che gli unici ISA sul mercato, ma sono tra i più popolari a parte x86 (che è un’esclusiva di Intel e AMD) e Power (che fino a poco tempo era un’esclusiva di IBM e ora è open source ).

Una delle motivazioni comuni per ARM e RISC-V è il loro diverso approccio all’ISA x86 closed source, che fino a tempi molto recenti era l’ISA più utilizzato al mondo in vari mercati. L’ISA x86 non è universale o egemonico come una volta, ma sia Intel che AMD sono ancora forze dominanti nei mercati desktop, laptop e server, oltre ad essere forze potenti in alcuni mercati più piccoli come console di gioco e reti 5G server.

Sebbene sia ARM che RISC-V siano uniti nel desiderio di sottrarre quote di mercato all’x86, sono anche in competizione tra loro. Il modello di business e la filosofia di progettazione di ARM sono stati uno dei fattori motivanti alla base dello sviluppo di RISC-V ed è un importante punto di contesa tra i due ISA basati su RISC.

Closed source vs open source

Al centro delle differenze tra ARM e RISC-V c’è la questione dell’hardware chiuso e open source. ARM è closed source mentre RISC-V è open source. Probabilmente hai sentito parlare di questi termini in relazione al software, ma cosa significa questo per l’hardware?

Si tratta fondamentalmente di proprietà intellettuale (o IP) e diritti di utilizzo di tale proprietà intellettuale. Ad esempio, solo Intel e AMD possono realizzare moderni processori x86 perché per legge detengono i diritti IP su di essi. L’hardware open source è quasi l’opposto poiché è incentrato su un design che tutti sono liberi di utilizzare e modificare come meglio credono. È qui che le filosofie di ARM e RISC-V si scontrano, perché sebbene ARM conceda in licenza le sue architetture (a differenza di Intel e AMD), l’azienda è in definitiva anche un gatekeeper.

Torniamo al modello di business di ogni ISA. ARM ISA è di proprietà della società ARM Ltd, che guadagna concedendo in licenza l’architettura a società che possono permettersela. I core ARM di base sono progettati e sviluppati dalla stessa ARM Ltd e aziende come Apple e Qualcomm possono aggiungere a tali core per soddisfare le proprie esigenze.

Le CPU Apple M1 e Qualcomm Snapdragon sono ancora ARM, ma sono personalizzate. È proprio come la differenza tra le CPU Intel e AMD e, nonostante le enormi differenze tra Core e Ryzen o Xeon ed Epyc, sono ancora tutte CPU x86.

Le aziende che utilizzano ARM ISA, tuttavia, non sono autorizzate a modificare il core di base stesso. RISC-V International e le aziende che utilizzano RISC-V vedono questo come un limite importante e, combinato con i costi di licenza, rende indesiderabile l’utilizzo di ARM. Quindi quale alternativa offre RISC-V?

Per cominciare, le aziende possono utilizzare il RISC-V ISA gratuitamente: nessuna tassa di licenza, nessuna royalty, nessun vincolo. Le aziende possono anche fare quello che vogliono con i core RISC-V. Questo abbassa decisamente la barriera all’accesso alla creazione di qualsiasi CPU, personalizzata o meno.

Ma, come tendono a dire i sostenitori del software open source, “open source non significa gratuito”. Le aziende che utilizzano RISC-V non sono obbligate a condividere le proprie innovazioni con nessuno, sebbene siano libere di concedere in licenza e vendere le proprie IP proprio come fa ARM.

Sia ARM Ltd che RISC-V International vogliono far progredire l’industria informatica, ma hanno idee diverse sul modo migliore per farlo. In sostanza, la differenza tra ARM e RISC-V si riduce a quanto un’autorità centrale può decidere e limitare.

Perché scegliere ARM o RISC-V?

Un PC che utilizza la scheda SiFive HiFive Unmatched
SiFive

Per rispondere a questa domanda, abbiamo parlato con Calista Redmond, CEO di RISC-V International. Ha spiegato che dove una volta i produttori di chip potevano gestire da soli ogni parte della fabbricazione, oggi la maggior parte delle aziende deve collaborare con altre aziende per portare a termine le cose. ARM concede in licenza il suo ISA ad Apple, che ad esempio lavora a TSMC. Redmond mi ha spiegato che questo cambiamento nel settore ha contribuito a creare l’apertura per RISC-V, ma ha affermato che c’era anche un altro fattore cruciale: il mercato in continua espansione dei processori personalizzati.

Molte industrie stanno cercando sempre più di integrare i chip per computer nel business e Redmond ha affermato che solo RISC-V potrebbe soddisfare una folla così diversificata di clienti. La modularità intrinseca e la libertà di progettazione di RISC-V lo rendono la scelta ideale, ha affermato. Inoltre, rispetto ad ARM non sono necessarie negoziazioni e tariffe di licenza, rendendo più veloce ed economico l’utilizzo di RISC-V. Se un’azienda non desidera utilizzare il design RISC-V di base e non vuole progettarne uno da solo, può collaborare con altre società RISC-V per ottenere la licenza IP, il che potrebbe essere più economico rispetto al passaggio tramite ARM.

Ero anche curioso delle aziende che utilizzano RISC-V. Intel, ad esempio, è membro di RISC-V International, ma produce anche processori x86. Intel non vedrebbe RISC-V come un concorrente, non un partner? Redmond ha spiegato che dipende dalle varie attività di Intel. Intel produce CPU x86, ma possiede anche le proprie fabbriche, una caratteristica ormai unica della struttura di Intel. È più redditizio per Intel fabbricare processori RISC-V che non farlo.

Un altro membro RISC-V, Nvidia, vede le CPU RISC-V come un’aggiunta significativa alle sue GPU, anche se la società ha perseguito un accordo per acquisire ARM.

Ted Speers, Head of Product Architecture and Planning di Microchip e membro del consiglio di RISC-V International, ci ha detto che mentre la sua controllata, Microsemi, una volta utilizzava ARM nei suoi progetti System on Chip (S0C), oggi i suoi SoC di punta sono basato invece su CPU RISC-V. Secondo Speers, ciò era dovuto a minori costi di sviluppo e licenza, migliori prospettive e flessibilità a lungo termine e migliore capacità di soddisfare le esigenze uniche che avrebbe un SoC FPGA Microsemi. Ha anche notato che poiché Microsemi non era particolarmente integrato nell’ecosistema ARM e non faceva particolarmente affidamento sull’ARM ISA, la transizione non è stata così difficile come avrebbe potuto essere.

Da parte sua, ARM afferma di avere molti più soldi per finanziare la ricerca e lo sviluppo e sviluppare tecnologia per i suoi clienti, mentre RISC-V International non fornisce e fornisce semplicemente un ISA. ARM ha anche sollevato preoccupazioni sul fatto che l’uso di RISC-V potrebbe comportare una “frammentazione”, che è fondamentalmente una mancanza di standard in un settore che crea un ostacolo alla compatibilità sia nell’hardware che nel software. Poiché ARM fornisce core standardizzati, il rischio di frammentazione è evitato. Mentre RISC-V vede questa standardizzazione come un punto debole, ARM sostiene che sia un punto di forza.

ARM solleva un buon punto. Molte aziende sono perfettamente soddisfatte della tecnologia che fornisce, anche se a nessuno è consentito modificarla completamente. Apple sta realizzando potenti CPU ARM non solo per Macbook ma anche desktop Mac e si prevede che la CPU del server Graviton di Amazon fornirà una certa concorrenza a Xeon di Intel e Epyc di AMD. È anche utile che il sistema operativo Android possa funzionare praticamente su qualsiasi smartphone.

Tuttavia, tutti dovrebbero davvero usare ARM solo per assicurarsi che tutto sia sullo stesso ISA? Non è intuitivo che il mio telefono debba avere gli stessi core della CPU del SoC FPGA di Microsemi, ad esempio. Il ragionamento che ARM mi ha fornito per l’utilizzo del suo ISA invece di RISC-V sembra un po’ traballante al di fuori dei computer e dei server degli utenti finali.

Alla fine, nel mercato si deciderà quale ISA è superiore. Per anni, la roccaforte di ARM sono stati i telefoni, ma l’ISA sta vedendo un crescente utilizzo in altri settori. Prodotti come il Galaxy Book Go di Samsung, un laptop Windows basato su ARM e i Macbook con tecnologia M1 di Apple stanno sfidando Intel e AMD nel mercato dei laptop. Le CPU del server ARM sono state sviluppate da Amazon e Ampere, un’altra espansione nel territorio tradizionalmente x86.

Nel frattempo, RISC-V vede la sua più grande strada per l’espansione nel settore industriale, nei dispositivi IoT e nell’IA Questo non è il tipo di rissa tra ARM e x86 che stiamo vedendo oggi, ma è difficile immaginare che ARM stia bene con RISC- V potenzialmente mettere alle strette questi mercati emergenti. Entro il 2025, RISC-V è molto fiduciosa che fino al 14% dell’intero mercato delle CPU utilizzerà processori RISC-V.

Dovremo aspettare e vedere quale visione del futuro si rivelerà corretta, ma per ora sembra chiaro che sia l’hardware RISC-V che ARM hanno un posto nel mercato.

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