RISC-V (Prozessoren)

RISC-V ist eine offene Befehlssatzarchitektur für Mikrocontroller, Prozessoren, eingebettete Controller und System on Chips (SoCs). Das V steht für die Zahl 5. RISC-V spricht man demnach als „Risk feif“ aus.

Die RISC-V-Foundation arbeitet an RISC-V-Spezifikationen und an einem Ökosystem, an dem sich unterschiedliche Firmen mit Entwicklungen und Dienstleistungen beteiligen. Denn ein freier RISC-V-Prozessorkern ist noch kein fertiger Chip. Der Chip muss um Taktgeberschaltkreise, Speicher-Controller, einen Grafikkern, Controller für verschiedene Schnittstellen und Bussysteme ergänzt werden.

RISC-Architektur

Der Ursprung von RISC-V liegt in den 1980er-Jahren an der University of California, Berkeley, dem vier RISC-Projekte (RISC-I bis RISC-IV) vorangingen, die eher für Forschung und Lehre gedacht waren. Erst der Befehlssatz des fünften Projekts (RISC-V) war für tatsächliche Anwendungen geeignet. Mit 47 Grundbefehlen ist RISC-V sehr minimalistisch gehalten und entspricht dem klassische RISC-Paradigma als „Reduced Instruction Set Computing“.
Alle anderen ehemaligen RISC-Architekturen arbeiten mit Spezial-Instruktionen die eher dem Prinzip von „Complex Instruction Set Computing (CISC)“ entsprechen, weil durch entsprechende Optimierungen ein Geschwindigkeitsgewinn möglich ist.

• CISC und RISC

RISC-V: Befehlssatzarchitektur / Instruction Set Architecture (ISA)

RISC-V legt nicht im Detail fest, wie ein CPU-Kern aufgebaut sein muss, sondern verlangt nur, dass er gemäß der RISC-V-Spezifikation rechnet. Die Instruction Set Architecture (ISA) existiert in den drei Varianten RV32I, RV64I und RV128I, von denen ein RISC-V-Chip nur RV32I vollständig unterstützen muss.

Mit den RV32I-Basisbefehlen kann man insgesamt 32 interne Register (je 32 Bit breit) und Speicher schreiben und lesen, Integer addieren und subtrahieren, logische Operationen (AND, OR, XOR) durchführen, Register schieben (leider nicht rotieren), Werte vergleichen und verzweigen sowie springen und Kontroll-, Counter- und Statusregister auslesen. Für viele Aufgaben reicht das schon aus.

Die zusätzlichen Buchstaben hinter RV32I kennzeichnen Erweiterungen der RISC-V-ISA mit den folgenden Funktionen:

• Base Integer Set (I): Ganzzahl-Operationen
• Multiplication, Division (M): Multiplikation und Division ganzer Zahlen
• Atomic read-modify-write (A): atomare Operationen
• Single Precision Floating Point (F): Gleitkommabefehle für einfache Genauigkeit (FP32)
• Double Precision Floating Point (D): Gleitkommabefehle für doppelte Genauigkeit (FP64)
• Kombination (G): Kürzel für die Kombination IMAFD
• Compressed Instructions (C): komprimierter 32-Bit-Befehlssatz
• Packet (P): SIMD (Single Instruction Multiple Data)
• Vector Instructions (V): Vektorbefehle
• Bit Manipulation (B)
• User Interrupts (N)
• Supervisor Level Instructions (S)
• Hypervisor (H)

Implementierungen von RISC-V

RISC-V hat dazu geführt, dass weltweit RISC-V-Forschungsprojekte in Universitäten und Chipfirmen entstanden sind. Es gibt für die Befehlssatzarchitektur und ihren Erweiterungen nicht nur fertig Prozessoren oder Computer zu kaufen, sondern auch viele frei verfügbare Implementierungen diverser Hersteller, Universitäten und Forschungseinrichtungen. Die einzelnen Implementierungen machen das, was die Befehlssatzarchitektur vorschreibt. Allerdings unterscheiden sich die Implementierungen in der konkreten Umsetzung und der resultierenden Performance, dem Energiebedarf, der Größe usw.

Warum RISC-V?

Wenn man schnelle und sparsame Prozessoren will, dann sind x86 und ARM die vorherrschenden Architekturen. Wenn es um hohe Leistungsfähigkeit geht, dann ist man auf x86-Prozessoren von Intel oder AMD (beide US-Unternehmen) angewiesen. Bei ARM-Prozessoren stören Lizenzkosten bis in die Millionenhöhe und langwierige Verhandlungen, was sich nur große Unternehmen leisten können.

RISC-V ist nicht nur billiger, sondern löst auch komplizierte Abhängigkeiten bei x86- und ARM-Prozessoren auf. RISC-V verspricht viel größere Freiheit. Nicht nur für kleine Hardware-Hersteller, sondern auch große Unternehmen wie Google, Amazon und Microsoft.

Mit RISC-V kann man ...

• Lizenzgebühren sparen
• neue Prozessortechnik entwickeln
• sichere Chips ohne Hintertüren in kritischen Infrastrukturen einsetzen
• Abhängigkeit von US-geprägter Chip-Technik reduzieren

RISC-V ist ein Schritt in die Richtung, die digitale Souveränität zu stärken.

Prozessor-Architekturen

• x86 von Intel
• x86 von AMD
• ARM
• RISC-V

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