Risc V: Cos’è e Come Funziona

Risc V: Cos’è e Come Funziona

Nell’universo in continua espansione dell’elettronica e della tecnologia, il nome RISC V risuona come una stella nascente nel cielo dei sistemi di elaborazione. Questo acronimo non rappresenta solo un’architettura di processore, ma incarna una rivoluzione open source nel mondo dell’hardware e del software. Mentre ARM ha dominato il paesaggio dei processori con la sua architettura ricca di funzionalità, RISC V emerge come un’alternativa che offre una pipeline di elaborazione più snella e personalizzabile.

Cos’è Risc V

Questo enigmatico acronimo sta per “Reduced Instruction Set Computing V”, ed è l’ultima incarnazione di un’idea che sta al cuore dell’informatica moderna: la semplificazione. Ma cosa significa veramente “semplificazione” in questo contesto?

RISC V è una architettura di processore open source che sta cambiando il modo in cui pensiamo alla progettazione e implementazione di hardware e software. Al contrario delle architetture CISC (“Complex Instruction Set Computing”), come quelle tradizionalmente utilizzate da Intel, RISC V utilizza un set ridotto di istruzioni. Questo concetto potrebbe suonare controintuitivo. Perché utilizzare meno istruzioni potrebbe essere una cosa positiva? La risposta risiede nell’efficienza e nella personalizzazione. Con meno istruzioni da gestire, il processore può eseguire le operazioni più velocemente e con un consumo energetico ridotto. Sicuramente un vantaggio non da poco nell’era del mobile e dell’IoT.

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Le origini

Comprendere le origini di RISC V significa fare un passo indietro nella storia dell’informatica. L’architettura RISC (Reduced Instruction Set Computer), il concetto alla base di RISC V, non è un’idea nuova. Infatti, fu teorizzata negli anni ’80 come alternativa alle architetture CISC più complesse e ingombranti.

In seguito, la vera e propria aarchitettura RISC V è nata nel 2010 presso l’Università della California, Berkeley. Un gruppo di ricercatori, guidati dal professor Krste Asanović e dal professor David Patterson, luminari nel campo dell’informatica, si pose un obiettivo ambizioso: creare un’architettura di processore che fosse completamente libera da restrizioni proprietarie. Qual era la loro visione? Rendere RISC V una base collaborativa, una tela bianca per l’innovazione aperta, su cui ingegneri e progettisti di tutto il mondo potessero dipingere senza limiti di copyright o costi di licenza.

Cosa ha reso RISC V così particolare e attuale nel contesto moderno? Le ragioni che hanno spinto all’introduzione dell’architettura RISC-V sono state le seguenti:

  • Soddisfare la domanda di un’architettura ISA open source che fosse disponibile agli studenti universitari per lo sviluppo di progetti.
  • Creare uno strumento per condividere le esperienze di progettazione con architetture ISA.
  • Evitare di pagare le licenze legate all’utilizzo di architetture e core sviluppati dai principali fornitori di IP presenti sul mercato.
  • Consentire alle aziende di proteggere i dettagli progettuali (IP) delle proprie soluzioni hardware.

Efficienza e libertà di utilizzo

Efficienza e libertà di utilizzo, sono i pilastri che hanno attratto un’ampia community di supporto, dalle università alle grandi corporazioni tecnologiche.

Attualmente, la RISC-V Foundation raggruppa oltre trecento membri ed include aziende del calibro di Google, Microchip Technology, NVIDIA e Qualcomm. Questa visione aveva radici profonde nella filosofia dell’open source, un movimento che sostiene la libera distribuzione e modifica del software, un concetto già consolidato nel mondo del software con successi come il sistema operativo Linux. Ma perché non era stato ancora applicato in modo significativo all’hardware, e in particolare ai processori? La risposta risiede nei costi e nella complessità della progettazione dei chip, che tradizionalmente hanno rappresentato barriere significative all’entrata.

Il lancio di RISC V ha quindi segnato un punto di svolta: ha democratizzato l’accesso all’architettura dei processori, consentendo a start-up, ricercatori e persino hobbisti di esplorare soluzioni su misura che prima erano esclusivamente dominio di grandi aziende.

Come funziona l’architettura Risc V

Per comprendere l’architettura RISC V, partiamo dal suo principio fondamentale: un set di istruzioni ridotto. Questa scelta progettuale mira a un’elevata velocità di esecuzione e una maggiore efficienza energetica. Ogni istruzione in RISC V è progettata per essere eseguita in un unico ciclo di clock, permettendo un passaggio rapido e pulito attraverso la pipeline del processore. Questo flusso ottimizzato accelera l’elaborazione e riduce il consumo di energia e la produzione di calore. Di conseguenza, riducendo la necessità di ingombranti dissipatori di calore, introduce nuove possibilità per l’innovazione in settori come l’automotive, l’aerospaziale e la robotica.

Personalizzazione e Flessibilità

Un elemento distintivo di RISC V è la sua architettura modulare che consente estensioni personalizzate. Gli ingegneri possono integrare istruzioni specifiche che ottimizzano le prestazioni per applicazioni particolari, come l’elaborazione di dati crittografici, operazioni di intelligenza artificiale e persino dei pacemaker di nuova generazione. Questa flessibilità si traduce in vantaggi reali per l’utente finale, offrendo processori che possono specializzarsi per compiti mirati, aprendo nuovi orizzonti nell’ottimizzazione di software e hardware.

Dalla Teoria alla Pratica: L’Implementazione di RISC V

L’architettura RISC V si differenzia dalla tradizionale CISC basata sulla macchina di Von Neumann, riflettendo piuttosto l’architettura Harvard con bus di istruzioni e dati separati, consentendo al processore di eseguire potenzialmente ciascuna istruzione in un singolo ciclo. Questa caratteristica rende i processori RISC molto performanti, consentendo l’esecuzione deterministica degli algoritmi e rendendo il codice più portabile tra una macchina e l’altra. In Figura 1 è visibile un confronto tra le architetture di Von Neumann (a sinistra) e RISC (a destra).

confronto tra architettura CISC e RISC
Figura 1: confronto tra architettura CISC e RISC

Set di istruzioni: estendibilità e Sicurezza

Una caratteristica chiave di RISC-V è il suo set di istruzioni estensibile, che permette la creazione di ASIP aggiungendo nuove istruzioni per funzionalità embedded efficienti. Il set di istruzioni base di RISC-V è minimale e la sua architettura può essere adattata attraverso varianti ed estensioni per diversi tipi di applicazioni, dalla semplicità di un microcontrollore embedded alla complessità di un sistema avanzato.

set di registri interi di RISC-V
Figura 2: set di registri interi di RISC-V

Per quanto riguarda il set di istruzioni, il RISC-V offre due opzioni, RV32I (32 bit) e RV64I (64 bit), che devono essere entrambe sempre presenti in qualunque implementazione. Esistono poi i set RV32E (un subset espressamente progettato per i sistemi embedded) e RV128I, nato per supportare la futura architettura ISA a 128 bit.

Questa architettura contiene soltanto 47 istruzioni, rispetto alle oltre 1500 di un sistema x86 e alle oltre 500 dell’architettura Arm. Utilizzando un semplice meccanismo di load/store, tutte le operazioni sono eseguite sui registri interni, mentre esistono istruzioni dedicate per eseguire il trasferimento tra registri e memoria. Queste scelte progettuali riflettono la natura originale di RISC-V, ovvero la sua scalabilità e adattabilità (tramite varianti ed estensioni) a diversi tipi di applicazioni. Ad esempio, la versione ‘E’ (si osservi la Figura 2) permette di dimezzare il numero di registri, che passano da 32 a 16.

I registri sono 32 (x0-x31), con il primo (x0) che contiene un valore fisso pari a 0. La dimensione di tali registri dipende dalla variante di architettura RISC-V utilizzata, ovvero RV32, RV64, o RV128. Il set di registri e il loro significato sono indicati in Figura 2. Si noti inoltre come il subset per microcontrollori embedded (RV32E) utilizzi soltanto i primi 16 registri. Se l’hardware dispone di un’unità FPU per il calcolo in virgola mobile, sarà disponibile un corrispondente set di registri floating point a 32 bit (f0-f31).

L’Universalità dell’Architettura Open Source

L’approccio open source di RISC-V offre flessibilità e scalabilità, senza barriere o restrizioni. È possibile estendere l’ISA per soddisfare qualsiasi requisito di implementazione hardware, rendendo RISC-V adatto a una vasta gamma di applicazioni.

Estensioni Vettoriali: Un Salto Quantico

Tra le estensioni più significative di RISC-V c’è quella vettoriale (RVV), che permette l’elaborazione parallela di array di dati, accelerando il calcolo su set di dati di grandi dimensioni e complementando le operazioni scalari tradizionali.

Risc V vs ARM

Una domanda sorge spontanea: come si posiziona RISC V rispetto a un colosso come ARM? È una questione di David contro Golia o stiamo assistendo all’alba di una nuova era nella progettazione dei chip? Per comprendere le differenze fondamentali tra RISC V e ARM, è necessario esaminare i principi che stanno alla base di entrambi.

ARM è da decenni il re indiscusso nel regno dei processori per dispositivi mobili, grazie a un modello di business basato su licenze che ha permesso una diffusione capillare della sua tecnologia. Ma perché ARM ha raggiunto una tale ubiquità e cosa offre di così unico? La sua architettura, pur essendo anche essa di tipo RISC, include un set di istruzioni più vasto e caratteristiche complesse che la rendono ideale per un’ampia varietà di applicazioni, dalla semplice calcolatrice al complesso smartphone.

RISC V, d’altra parte, sfida questa posizione stabilita con un’architettura completamente open source e altamente modulare. La sua proposta di valore si basa sulla personalizzazione e sull’innovazione aperta. Questa flessibilità si traduce in un vantaggio competitivo grazie alla capacità di RISC V di essere adattato specificamente per le esigenze di un progetto o di una tecnologia, consentendo agli sviluppatori di ottimizzare il processore per le performance o l’efficienza energetica come mai prima d’ora. Quindi l’approccio seguito dalla filosofia RISC-V consiste nello scegliere prima un set di istruzioni e successivamente un fornitore per il core, oppure, se si dispone delle opportune risorse, decidere di svilupparlo da sè.

Un confronto tra RISC V e ARM è quindi non solo una misurazione delle prestazioni, ma un dibattito sulla filosofia di design e sulla strategia di mercato. ARM ha un ecosistema stabilito, ma RISC V sta guadagnando terreno grazie alla sua comunità in crescita e alla sua promessa di una maggiore libertà di progettazione.

Conclusione

In conclusione, RISC V non è semplicemente un’alternativa all’egemonia di ARM, ma è un vero e proprio manifesto per l’innovazione e la personalizzazione nell’ingegneria dei processori. Con la sua visione open source e la capacità di adattarsi alle esigenze specifiche, RISC V sta ridefinendo l’architettura dei processori e promette di accelerare il progresso in campi come l’intelligenza artificiale, l’elaborazione dei dati e l’IoT.

Ma la domanda rimane: RISC V riuscirà a superare le architetture stabilite come ARM nel lungo termine? La risposta potrebbe risiedere nella comunità globale di sviluppatori e aziende che si sta radunando intorno a RISC V. Così, mentre osserviamo questa stella nascente, possiamo solo immaginare le innumerevoli innovazioni che potrebbero sorgere da questo fertile terreno dell’open source, dato che RISC V non è solo un’architettura, è il simbolo di un’era di accessibilità e trasparenza nella progettazione dei sistemi informatici.

Ivan Scordato
progettista elettrico e appassionato di nuove tecnologie. Scrive articoli di approfondimento tecnico e conosce anche tecniche SEO per la scrittura su web.