RISC-V dzimšana un FPGA akceleratoru vēsture

RISC-V saknes meklējamas UC Berkeley pētniecības projektā, kas 2010. gadā definēja atvērtu instrukciju kopu (ISA) ar mērķi radīt vienkāršāku, paplašināmu arhitektūru. No šī pamata radās industrijas spēlētāji, piemēram, SiFive, kas tika dibināta 2015. gadā, un vēlāk RISC-V Foundation, kas 2019. gadā pārorganizējās kā RISC-V International. Paralēli RISC-V izaugsmei FPGA (programmējamo loģikas elementu) izmantošana akceleratoros nav jaunums — Xilinx un Intel/Altera jau vairākas desmitgades piedāvā viegli konfigurējamus elementus īpašu uzdevumu paātrināšanai. Tomēr savienojums, kur RISC-V kodoli tiek izvietoti uz PCIe karšu vai FPGA, radīja iespēju piedāvāt atvērtā ISA priekšrocības kopā ar elastīgu aparatūras paātrinājumu.

Kā tas tehniski strādā un kāpēc tas ir svarīgi

RISC-V uz PCIe karšu parasti darbojas divos galvenajos veidos. Pirmais — fiziskas PCIe kartes, kas satur jaudīgu FPGA, kurā implementē RISC-V soft kodolus un specializētas logikas blokus (piemēram, kriptogrāfijas, datu kompresijas vai video enkodēšanas moduli). Otrais — ASIC vai SoC akceleratori, kas iekļauj RISC-V kā vadības vai vadības un datu apstrādes elementu. PCIe savienojums nodrošina zemu latentumu un augstu joslas platumu, kas ir būtiski datu intensīvām operācijām. Atvērtā instrukciju kopas priekšrocība ir spēja pielāgot instrukcijas konkrētiem darba slodzēm bez nepieciešamības maksāt par licenci, kas interesē gan uzņēmumus, gan entuziastus.

Produkti, cenas un tirgus ietekme

Patērētāju un profesionālo produktu portfolio ir daudzveidīgs. RISC-V vienplašu dēļu tirgū parādījās vienības kā StarFive VisionFive (SBC platforma), kas demonstrē, ka RISC-V var darboties arī kā galvenā sistēma. VisionFive 2 modeļi tirgū parādījās ar cenu diapazonu ap 100–200 USD, padarot tos pieejamus hobijistiem un izstrādātājiem. No otras puses, profesionālas FPGA bāzētas PCIe kartes — Xilinx Alveo (tagad AMD portfelī pēc 2022. gada biznesa apvienošanās) vai Intel datu centra akceleratori — tirgū svārstās no pāris tūkstošiem līdz desmitiem tūkstošu dolāru, atkarībā no veiktspējas. Starp šiem diviem poliem rodas niša: vidēja līmeņa PCIe FPGA karšu komplekti un DIY risinājumi, kuru komponentu izmaksas (mid-range FPGA, PCB, pasīvie elementi) varētu atrasties aptuveni 200–800 USD robežās, atkarībā no komplektācijas. Šāda ietilpība nozīmē, ka uzņēmumi un entuziasti var eksperimentēt ar specializētu aparatūru bez milzīgām investīcijām, kas potenciāli maina to, kur un kā tiek izvietotas akcelerācijas funkcijas.

Kopienas projekti un reāli piemēri

Kopiena ir viens no šīs kustības dzinējspēkiem. Atvērtā koda rīki — GCC un LLVM atbalsts RISC-V, Freedom Studio, un atvērtie FPGA rīki kā SymbiFlow — ļauj izstrādātājiem patstāvīgi izveidot firmu un dizainu. Hobiju līmenī redzami projekti, kuros entuziasti izmanto komerciālus FPGA dēļus vai pat vecākas PCIe kartes, lai uzbūvētu RISC-V bāzētus akceleratorus drošības, tīkla un datu transformācijas uzdevumiem. Industriāli piemēri, piemēram, datu glabāšanas risinājumi, kuros RISC-V tika izmantots kā vadības elements entuziasma brīžos ap 2018. gadu, rāda, ka atvērtā arhitektūra var atrast vietu arī lielākās platformās. Kopienas projekti bieži publicē izstrādes virzienus, piemērus un benchmark rezultātus, kas paātrina progresu un pieņemamību.

Izaicinājumi: programmatūra, ekosistēma un drošība

Kaut arī atvērtība un elastība ir spēcīgas priekšrocības, problēmas saglabājas. Vadītāju ekosistēma un optimizētas programmatūras bibliotēkas vēl nav tik nobriedušas kā ARM vai x86 pasaulē, tāpēc izmaksas integrācijai var būt augstākas. Drošības izaicinājumi — kā nodrošināt uzticamu atjaunošanu, firmware verifikāciju un drošu komunicēšanu starp PCIe ierīci un OS — prasa standartizētus pieejamos risinājumus. Turklāt ražošanas kvalitāte, ilgtspējība un atbalsts no lielajiem OEM spēlētājiem noteiks, cik ātri šie akceleratori nonāks plašākā tirgū.

Nākotnes perspektīvas un kur tas var aizvest

RISC-V PCIe akceleratoru kustība var pārveidot to, kā mēs domājam par aparatūras novirzīšanu uz atsevišķām funkcijām. Tā kā ražotāji meklē veidus, kā padarīt sistēmas efektīvākas, atvērtās arhitektūras kombinācija ar programmējamiem loģikas elementiem nodrošina unikālu elastību. Japrospektā: paredzama pieaugoša nišas tirgus segregācija, kur mazi ražotāji un kopienas projekti piegādā specializētus kartes risinājumus, bet lielie datu centra risinājumi saglabā augstas klases FPGA/ASIC akceleratorus. Ja rīku ķēde, drošības standarti un ražošanas kanāli nostiprinās, šī paradigma var kļūt par novietojumu, kas ļauj uzņēmumiem izveidot specializētus akseleratorus ātrāk un ar mazāku sākotnējo kapitālu.

RISC-V uz PCIe nav tikai tehnisks eksperimentāls spēks — tas ir izstrādes modeļa alternatīva. Tā pievilcība slēpjas brīvībā pielāgot kodolu uzdevumam, ja nepieciešams, un iespējamībā to darīt pieejamāk, pateicoties pieaugošai kopienai un lētākiem komponentiem. Tomēr, lai tas tiešām kļūtu par ikdienas realitāti, būs nepieciešams stabils atbalsts no rīku izstrādātājiem, industrijas konsolidācija un skaidri drošības standarti. Pašreizējā brīdī šī joma ir viena no interesantākajām hardware starta līnijām, ko vērts vērot — gan kā hobijistam ar DIY PCIe karti, gan kā uzņēmumam, kas meklē jaunas veiktspējas atslēgas.