¿Qué es RISC-V? ¿Qué ventajas e inconvenientes tiene?

Rubén Castro, 17 agosto 2023

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Cuando hablamos de arquitecturas de procesadores, probablemente conozcas x86 y ARM, pero ¿has oído hablar alguna vez de RISC-V? A continuación, vamos a ver qué es RISC-V, pero primero vamos a conocer el concepto de ISA.

Qué es ISA?

ISA (Instruction Set Architecture) es un modelo abstracto de la arquitectura de un ordenador que define aspectos como el modelo de registros y las instrucciones del código máquina.

En general, hay dos tipos de ISA en el mercado. Son las arquitecturas RISC y CISC:

  • RISC significa Reduced Instruction Set Computer y el ejemplo más famoso es ARM, aunque también RISC-V pertenece a esta categoría
  • CISC significa Complex Instruction Set Computer y el ejemplo más famoso es x86

Las ISA pueden ser propiedad intelectual bajo licencia. Así, por ejemplo, un fabricante como Freescale o Broadcom que desee diseñar un procesador compatible con ARM necesita una licencia de Arm Ltd., los propietarios de la ISA.

Aunque ciertamente se puede diseñar un ISA propio, no es una empresa trivial, ya que implica especificar el comportamiento de la máquina con gran detalle. La arquitectura x86, por ejemplo, se remonta al chip Intel 8086 lanzado en 1978. La arquitectura Arm comenzó con el BBC Micro desarrollado por Acorn Computers en 1981. Por supuesto, ambas ISA no han dejado de mejorarse y ampliarse con los años.

¿Qué es RISC-V?

RISC-V (pronunciado “risk-five”) es un ISA basado en los principios de los ordenadores de conjunto de instrucciones reducidas (RISC - Reduced instruction set computer). A diferencia de la mayoría de los demás diseños de ISA, se ofrece bajo una licencia de código abierto que no requiere el pago de tasas para su uso.

El proyecto RISC-V se inició en 2010 en la Universidad de California, Berkeley, junto con colaboradores voluntarios no afiliados a la universidad. Para dar estabilidad al proyecto y hacerlo atractivo a los usuarios comerciales, se constituyó una Fundación RISC-V para poseer, mantener y publicar la definición de RISC-V.

Recientemente ha pasado a denominarse RISC-V International, constituida en Suiza, y su arquitectura de conjuntos de instrucciones lidera la ofensiva por el hardware de código abierto.

El pasado de RISC-V

RISC significa que las instrucciones están diseñadas para ser más simples y fáciles de procesar, a diferencia de un ordenador de conjunto de instrucciones complejas o procesador basado en CISC, como cualquier CPU x86 como un Ryzen 9 7900X o un Core i9-13900K.

¿Qué significa la -V? Es el número romano que significa cinco, y RISC-V es una especie de diseño de quinta generación. RISC-I y -II se desarrollaron en 1981, pero RISC-III y -IV técnicamente nunca existieron. Estos nombres se aplican retroactivamente a SOAR, que salió en 1984, y SPUR, que salió en 1988. RISC-V se considera a sí misma la sucesora de la arquitectura de 1988.

RISC-V comenzó como un proyecto de investigación del Laboratorio de Computación Paralela de la UC Berkeley (o Par Lab), cuyo director era David Patterson. El profesor Krste Asanović y sus estudiantes de posgrado Yunsup Lee y Andrew Waterman empezaron a diseñar RISC-V en mayo de 2010. Consiguieron financiación a través del Par Lab, financiado en gran parte por Intel y Microsoft.

En 2011, grabaron el primer chip RISC-V, es decir, por fin tenían un prototipo. En 2014, Asanović y Patterson publicaron un artículo en el que defendían la causa del hardware de código abierto y argumentaban no solo que lo ideal sería un ISA basado en RISC, sino específicamente en RISC-V.

El primer taller de RISC-V se celebró en 2015 y, más tarde ese mismo año, 36 empresas fundaron la Fundación RISC-V. Entre los miembros fundadores se encuentran Nvidia, Google, IBM y Qualcomm.

En 2020, la Fundación RISC-V se convirtió en RISC-V International.


La importancia del hardware de código abierto

El concepto fundamental de RISC-V es que “la tecnología no persiste aislada”. Es sencillamente más eficiente y eficaz si todas las empresas pudieran adherirse a un solo estándar en lugar de fabricar todo lo que necesitan desde cero. La Fundación RISC-V sostiene que el mundo necesita RISC-V para evitar “la fragmentación, la bifurcación y el establecimiento de múltiples estándares”.

RISC-V, a pesar de su nombre, no trata de RISC frente a CISC, sino de código abierto frente a código cerrado. RISC-V se opone a los ISA de código cerrado en general, pero especialmente a x86 y ARM.

Originalmente, x86 era propiedad intelectual exclusiva de Intel, y más tarde AMD adquirió todos los derechos sobre x86 tras una larga batalla judicial que terminó en 1995. Las CPU x86 representan la mayor parte de los mercados de ordenadores de sobremesa, portátiles y servidores, por lo que es comprensible que a RISC-V International le preocupe un duopolio propietario de Intel y AMD.

Sin embargo, la aquitectura ARM viene pegando fuerte en el mundo móvil y ahora también en los portátiles y sobremesas de la mano de Apple. Eso sí, para usarla hay que pagar una licencia a la empresa ARM. Las empresas que tienen una licencia ARM sólo pueden modificar el núcleo en lugar de diseñar uno nuevo. Esto no ha impedido que empresas como Apple y Qualcomm fabriquen procesadores ARM impresionantes, pero, sin embargo, una empresa tiene que pagar millones de dólares sólo para tener el privilegio de utilizar unos núcleos a los que sólo se puede añadir algo, no alterarlos fundamentalmente.

El futuro de RISC-V

Uno de los principales focos de atención de RISC-V International es el crecimiento del mercado del Internet de las Cosas (IoT). En su presentación introductoria, RISC-V predice que en 2030 habrá 50.000 millones de dispositivos IoT en uso activo, aproximadamente el doble de los actuales.

Además, más empresas van a querer diseñar a medida sus propios chips para sus propios productos, y RISC-V International sostiene que su arquitectura RISC-V lo permitirá. RISC-V International no solo es optimista sobre el futuro, sino que cada vez lo es más debido a:

  • Naturaleza de código abierto: RISC-V es una ISA de código abierto, lo que significa que cualquiera puede acceder a ella y utilizarla sin pagar licencias. Esto ha suscitado un mayor interés tanto en el mundo académico como en la industria, fomentando la innovación y la colaboración.
  • Personalización: el diseño modular de RISC-V permite flexibilidad y personalización. Las empresas pueden diseñar procesadores adaptados a sus necesidades específicas, lo que puede dar lugar a un hardware más eficiente y especializado.
  • Crecimiento del ecosistema: en torno a RISC-V se ha desarrollado un ecosistema en expansión de herramientas, compiladores, sistemas operativos y plataformas de hardware. Esto facilita a los desarrolladores la creación de soluciones de software y hardware basadas en esta arquitectura.
  • Menor dependencia: RISC-V puede reducir potencialmente la dependencia de unos pocos actores principales en el mercado de procesadores. Esto puede fomentar una competencia sana y la diversidad en el diseño de procesadores.
  • Investigación y mundo académico: la naturaleza abierta de RISC-V la ha convertido en una opción popular en entornos académicos y de investigación. Esto podría dar lugar a nuevos avances e ideas en arquitectura informática.
  • Adopción industrial: algunas empresas, sobre todo de nueva creación, ya han empezado a diseñar y producir procesadores basados en RISC-V. Si estos procesadores ganan adeptos, podrían dar lugar a nuevos avances e ideas en arquitectura informática. Si se imponen, la industria podría adoptarlos en mayor medida.

Aunque RISC-V es prometedor, no está exento de dificultades. Arquitecturas de procesador ya establecidas, como x86 y ARM, cuentan con una cuota de mercado y un apoyo de los desarrolladores considerables. Además, la complejidad de crear un ecosistema competitivo lleva tiempo.


RISC-V vs. ARM - Similitudes y diferencias

Tanto RISC-V como ARM son arquitecturas informática diseñada y optimizada para utilizar menos instrucciones que sus homólogos CISC. Este menor número de instrucciones y otras tecnologías de optimización utilizadas en la arquitectura RISC permiten que este tipo de procesadores consuman menos energía, lo que los hace ideales para smartphones, cámaras, smartwatches y todo tipo de dispositivos IoT.

Los procesadores ARM son algunos de los mejores de arquitectura RISC en el mercado. Hasta hace unos pocos años, los procesadores basados en ARM eran la única opción para cualquiera que quisiera construir un producto electrónico utilizando sus propios procesadores personalizados. Arm (con “rm” minúscula) Ltd. es una empresa que diseña y licencia chips para varios fabricantes de hardware, como Apple, MediaTek, Qualcomm y empresas más pequeñas como PINE64. Utilizan su propio ISA ARM de código cerrado para diseñar microprocesadores y sistemas en un chip (SoC) altamente eficientes. Todos los diseños realizados por Arm se conocen como procesadores Advanced RISC Machine o simplemente procesadores ARM (todo en mayúsculas).

Además de ser una de las primeras empresas en vender y fabricar diseños de chips a medida, Arm ha conseguido ser el diseñador de chips RISC dominante gracias a sus continuas innovaciones con la ISA ARM y los diseños de procesadores ARM.

Al igual que la APU de AMD, que combina CPU y GPU en una sola matriz, los procesadores ARM son conocidos por combinar CPU, GPU, memoria, DSP y varios módems en una sola matriz o chip, lo que se conoce como System on a Chip (SoC). Esta estrecha integración de múltiples módulos ha permitido a los procesadores ARM ser rápidos y eficientes.

Por su parte, RISC-V, a nivel técnico, no incorpora ninguna característica innovadora o nueva. Sigue los principios establecidos de RISC y utiliza una arquitectura load-store. Una ventaja de esto es que no viola ninguna patente conocida. Como muchas otras ISA, la especificación define distintos niveles de conjuntos de instrucciones. Esto incluye variantes de 32 y 64 bits, y extensiones para soportar instrucciones de coma flotante. Esto permite desarrollar versiones adaptadas a una amplia gama de aplicaciones, desde pequeños microcontroladores integrados hasta ordenadores personales de sobremesa y superordenadores con procesadores vectoriales. RISC-V es compatible con varios compiladores de lenguajes, como GNU Compiler Collection (GCC), un popular compilador de software libre, y con el sistema operativo Linux (tanto de 32 como de 64 bits).

Numerosas empresas como Amazon, Google, Qualcomm, Intel, Rockchip, SiFive, Sony, ZTE y Western Digital han pasado a apoyar el proyecto de RISC-V que aspira a proporcionar un hardware más abierto que permitirá a los fabricantes de dispositivos más pequeños crear hardware sin pagar derechos de autor y a los desarrolladores e investigadores diseñar y experimentar con una arquitectura de conjuntos de instrucciones probada y disponible gratuitamente. Esto fomentará la innovación y la competencia en un momento en que muchos grandes fabricantes están comprando a sus competidores, como la reciente adquisición de Arm Ltd por Nvidia.

Ventajas de RISC-V frente a ARM:

  • Personalización: la naturaleza abierta de RISC-V permite una mayor personalización. Esto significa que las empresas pueden diseñar procesadores a la medida de sus necesidades específicas, lo que puede mejorar el rendimiento de determinadas aplicaciones.
  • Innovación: la naturaleza de código abierto de RISC-V fomenta la innovación. Esto puede dar lugar a nuevas ideas en el diseño y optimización de procesadores.
  • Flexibilidad: el diseño modular de RISC-V puede mejorar la eficiencia en situaciones específicas, ya que los procesadores pueden racionalizarse para tareas concretas.

Retos para RISC-V frente a ARM:

  • Ecosistema: arquitecturas consolidadas como ARM cuentan con un ecosistema de herramientas, software y soporte bien desarrollado. RISC-V aún está desarrollando su ecosistema, lo que podría afectar a su rendimiento y eficiencia en algunos contextos.
  • Optimización: los procesadores ARM llevan años optimizándose, lo que ha dado lugar a diseños maduros y eficientes. RISC-V se está poniendo al día en términos de optimización.
  • Fabricación y adopción: los procesadores ARM llevan una ventaja considerable en cuanto a fabricación y adopción. Esto afecta a la disponibilidad y madurez de los chips RISC-V.

Es importante tener en cuenta que las comparaciones de velocidad y eficiencia pueden variar en función de la implementación específica de RISC-V, la arquitectura ARM comparada, el proceso de fabricación utilizado y otros factores.

Rubén Castro

Redactor

Apasionado de explorar y diseccionar lo último en tecnología. Tengo mucha experiencia en el mundo de los ordenadores y el gaming, aunque también me gustan todos los tipos de gadgets.

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